故障诊断

●金属材料的疲劳发展过程中，其内部会发生什么变化？●有什么物理性质的表现？●你认为有什么方法能探测到？金属材料疲劳发展过程中，其内部的变化231金属材料疲劳发展过程中，物理性质的表现用什么方法检金属材料的疲劳金属疲劳是指材料内部薄弱区域的组织在变动应力的作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展到一定程度后突然开裂的过程是一个从局部开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。金属疲劳时其内部结构变化：材料内部裂纹的萌生疲劳裂纹的扩展金属材料的疲劳断裂金属内部的结构并不均匀，含有气孔、微裂纹、原子位错、环境介质等缺陷，在循环应力作用下会形成循环滑移带，随着循环次数的增加，滑移带加宽，进一步会出现挤出背和侵入沟，成为应力集中区，逐渐形成裂纹，由裂纹扩展导致结构破坏的过程就是金属疲劳微裂纹形核的位置（1）驻留滑移带：这是最普遍的一种形核方式，它的特点是晶粒内部滑移的集中（2）晶界：对于高应变疲劳，尤其高温条件下（3）表面夹杂：对于含有足够大的夹杂颗粒的合金材料这里的疲劳裂纹属于微裂纹，由亚结构和微观结构的变化引起的永久性损伤。由实验我们可以在驻留滑移带（PSB）内检测到最初形成的微裂纹，绝大部分的疲劳微裂纹是在疲劳总寿命最初的20%-40%阶段形成的，在后来的进一步发展中，只有一部分的微裂纹可以继续张大，而且，实际上不再有新的微裂纹形核。（a）夹杂物-基体分离萌生裂纹（b）夹杂物-基体界面引发滑移萌生裂纹（a）滑移带上位错运动产生“挤出”和“侵入”（b）由“侵入”发展为裂纹疲劳裂纹的扩展可以分为两个阶段：先是沿最大切应力方向向内扩展，此阶段扩展速度很慢，扩展总量很小，断口不易辨析。随后若是在室温无腐蚀条件下进行，疲劳裂纹是穿晶扩展的，随着循环次数的增加，扩展速率也在增加，并且可以用电子显微镜来观察其疲劳条带。在第一阶段，材料的滑移特性和显微组织特征尺度、应力水平及近尖端塑性区尺寸对疲劳裂纹扩展的微观模式有强烈影响。对于延性固体，可以把循环载荷引起的裂纹扩展想象为在裂纹尖端近旁的滑移带内发生急剧局部变形的过程，该过程可通过剪切脱粘而形成新裂纹面。当裂纹和裂纹尖端塑性变形区只局限在几个晶粒直径范围内时，裂纹主要沿主滑移系方向以纯剪切方式扩展。在这一阶段，微裂纹可以弥散地分布和发展，单位面积上的裂纹数随循环周次增加而增加，当裂纹密度达到一临界值时将发生裂纹的汇合扩展当应力强度范围较高时，裂纹尖端塑性区跨越多个晶粒，这时裂纹扩展沿两个滑移系统同事或交替进行。而在第一阶段向第二阶段转变的过程中（我们将它归为第二阶段的第一部分），裂纹同时沿径向和切向扩展跨过多个具有不同尺寸和晶体学取向的晶粒，具有了三维形貌。裂纹沿着相邻晶粒中不同取向的滑移带向前扩展，同时发生裂纹之间的相互汇合而形成若干条“主裂纹”，主裂纹进一步扩展进入到第二阶段。第二阶段第二部分扩展导致形成垂直于远场拉伸轴方向的平面裂纹路径。并逐渐扩展形成用显微镜可观察到的裂纹。在低应力高周期疲劳条件下，第一阶段占主导地位；在高应力低周期疲劳条件下，第二阶段占主导地位。当材料中的裂纹扩展到一定程度时，疲劳损伤就会发生，随着疲劳损伤的进行，裂纹的宽度进一步加大，当累积损伤形成的裂纹尺寸大于疲劳强度下的非扩展裂纹时，就会对材料造成损伤，严重的就是断裂。金属材料尽管由于交变应力的作用出于疲劳状态，但是因为材料的组成粒子，结合方式，晶格等还是不变的，所以一般的物理性质像金属材料的熔点、导电性、传热性、延展性等还是不变的。对于所研究的金属材料处于疲劳状态时其内部的裂纹会越来越大；并且导致定量的金属材料的电阻值变大。随着裂纹的扩展，用超声波进行检测时，超声波进入材料后传播速度改变。另外还有就是材料接近疲劳极限时会产生大量的能量，形成能量耗散。该方法建立的理论前提就是金属材料疲劳时其内部裂纹导致金属导电面积减少，进而造成了金属电阻的增大。电阻R与电阻率ρ之间的关系式为：R=ρL/A；导体材料一旦损伤，其通电后能导电的有效面积要减小，设损伤变量为D，则可推得：R=ρL/A0(1-D).由Wang疲劳损伤模型可得：]1)([1]1[1rnfNND式中N为循环次数，为疲劳寿命，n（r）为材料常数；由Wang的寿命公式：fN随着循环次数的增加，式样的电阻增大。这意味着。试样经过的循环次数越多，试样内部损伤越严重，损伤的累积导致电阻增大；当循环次数较少时，电阻的增加比较缓慢，当循环次数增加到一定程度，电阻增加速度变快。所谓声发射又称应力波发射，是指材料或者物体内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段或有裂纹形成和扩展、断裂等微结构状态变化时快速释放出应变能而产生瞬态应力波的现象。材料的塑性变形、裂纹的产生和扩展、断裂过程中均伴随着声发射现象。由于它表征了材料内部变形或破坏的情况，所以通过声发射信号的采集、处理、分析和研究，可以推断材料内部的形态变化，反演其破坏机理，从而对金属材料的疲劳造成的损害进行预防。采用声发射技术研究塑性变形、裂纹开裂和扩展发现，这些过程的声发射源与拉伸变形过程中的位错活动有关。高周期疲劳的裂纹扩展，声发射总计数方程与应力强度因子有关，在常幅应力值下该方程相似于疲劳裂纹扩展的Paris准则。疲劳裂纹扩展的声发射源是由裂纹尖端的塑性区发展、裂纹增长过程或它们共同作用引起的。疲劳过程使得金属材料表面变得粗糙，表面高度偏差增加而相关长度减小，其高度函数的变化同散斑图像一一对应，损伤的发展使得空间频谱的高频成分增加而低频成分减弱，散斑图像扩散且谱宽增加。镜面反射能力减弱，使核心光斑强度减弱，散斑场强度增加。表面波形分布在各方向上的差异逐渐减小，衍射谱趋于以镜面反射方向为中心的圆对称分布。当材料损伤破坏时，检测瞬时金属材料表面反射衍射谱谱面光强对应的光电流，就可确定材料的疲劳损伤程度超声波有各种各样的波型，而工程中应用最多的是纵波。同型超声波在同种材料中以恒定的速度传播，纵波超声速为：,式中ρ为材料密度，G=E/2（1+μ），E、G、μ分别为材料弹性常数，λ=E/（1+μ）（1-2μ）为Lame常数，材料受损后，导致E、μ、ρ的变化，从而使超声速C发生变化，因此，可用超声速的变化来定义损伤变量并描述材料的损伤程度。2/1]/)[(GCCurti等人最早提出了一种快速确定材料疲劳极限的热像法，该方法后来被命名为Risitano。对于许多材料尤其是金属材料，当加载的应力幅高于材料的疲劳极限时，试件表面温度通常都会经历3个变化阶段，第一阶段为初始温升阶段，第二阶段为温度稳定阶段，第三阶段为快速温升阶段。如果应力幅在疲劳极限之下，很难观察到温度变化。根据先前一些学者冠以循环荷载、塑性应变与疲劳损伤的相关论述，Luong认为材料的能量的耗散与疲劳损伤之间存在着密切联系，可以通过材料的固有耗散率来表征其疲劳状态。疲劳热像法就是基于这种原理。