金属的疲劳断裂

1第六章金属的疲劳断裂机械零部件或化工设备的疲劳断裂失效，在全部断裂失效中占有很大的比例。2第一节疲劳应力应变和疲劳强度一、疲劳应力和疲劳极限大小或方向和大小随时间而变动的应力叫做疲劳应力，如图3－1所示，描述疲劳应力的特征参量有最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、交变应力幅σa及应力比R。3它们之间的相互关系为:当R＝-1即σm＝0时为对称循环;当R＝0即σmin＝0脉动循环;而R＝+1，即σmin＝σmax时表示为静载。maxmin12mminmax21aminmaxR41710疲劳极限指的是金属不发生疲劳断裂的应力（σa）。事实上有许多材料，或是在某种环境下，并没有无限寿命的，于是定义断裂时循环次数Nf达的应力为疲劳极限。115二、等疲劳寿命曲线对于非对称的（）的应力循环，有两个经验式可将材料的强度进行折算：①Goodman关系②Geber关系1R)1(1bmR21)(1bmR6三、疲劳应力集中系数疲劳应力集中系数疲劳缺口敏感因子tKt应力集中系数=应力集中导致的最大应力（理论应力）不考虑应力集中的名义应力NfK1111tfKKq7四、疲劳应变-寿命曲线8Coffin-Manson公式：式中B为常数，（其中为断面收缩率）。cfcbfbpeaNDNEB)()(211lnD9五、疲劳有限寿命和累计寿命原则工况下的载荷往往并非恒定，例如设备总有满载、空载或半载等情况。这时可用累计寿命法则进行估计，即当时，寿命耗尽。式中——应力为对应的疲劳寿命；——在下实际工作的载荷循环数。a1332211fnnfffNNNNNNNNfiNiiNi10第二节金属在疲劳载荷作用下的变形和损伤一、包申格效应11二、循环硬化与循环软化121314三、疲劳形变的不均匀性同单调形变时一样，循环形变时金属内部的不可逆滑移，表现于试样表面为滑移带。若每当疲劳一段时间后，用电解抛光去除有滑移带的一薄层（30）继续试验，累计的疲劳寿命可成倍提高。这表明滑移带与疲劳起裂有关。同时有一种滑移带，即使被抛光去除，再次疲劳试验时仍在处出现滑移。这就叫做驻留滑移带。m15驻留滑移带是形变不均匀性的表现之一。疲劳破坏的实际问题正是在于循环形变的不均匀性。将疲劳断裂了的材料进行疲劳试验，其疲劳寿命与原先相当。这表明疲劳断裂是以集中性损伤起源的。16第三节疲劳裂纹的萌生一、表面滑移带裂纹萌生方式疲劳裂纹首先是在形变集中的自由表面形成。金属试样在经过一定次数的循环载荷之后在光滑的表面上会出现皱折不平，它是由于金属发生了片状的挤出和挤入，如图6－14所示。17而这些挤入、挤出是来自于驻留滑移带，如图6－15所示，由这样挤入、挤出继续发展成为裂纹是纯金属和单相合金形成疲劳裂纹的主要方式。18二、晶界萌生裂纹方式晶界处出现较高的应力；由于形变在晶界处出现凹槽；晶界有杂质偏析或弱化铝、铜、黄铜和低碳钢在大振幅疲劳条件下，疲劳裂纹大都是由晶界开始的。19三、相质点或夹杂物附近萌生的疲劳裂纹原因：①夹杂物与机体的分离；②夹杂物破裂20四、其它各类非连续性冶金缺陷和工艺缺陷零件表面的刀痕过深，截面变化过渡太陡（因弧半径过小），拉痕、腐蚀痕、工艺裂纹、表面碰伤，均是诱发疲劳裂纹之处。内部的夹渣、缩孔、疏松也可以成为疲劳裂纹萌生地，其基本原理都在于导致应力集中、发生集中滑移。21五、微动（Fretting）疲劳起裂在交变载荷作用下，零件接触处的微动摩擦就会通过促使裂纹的萌生和提高裂纹的早期扩展速率而大大降低零件的使用寿命，这就叫做微动疲劳或微振疲劳。22第四节疲劳裂纹的扩展及断口形貌疲劳裂纹萌生与扩展的分界点：工程上（如作断裂力学测试中的启裂）常以0.05mm左右作为萌生和扩展的分界点。大量的事实表明，一个疲劳断裂的断口，包括图6－18所示的几个区段：23a)与主应力方向大体成45°倾斜的疲劳扩展第I阶段。b)与主应力垂直的疲劳扩展第II阶段。c)瞬断区。24一、疲劳裂纹扩展的第I阶段本阶段一般仅一两个晶粒深，但所占疲劳寿命的比例却不低。由于裂纹扩展和速率很低，有时仅为循环n×10－1nm，故在这部分断口上一般都看不出任何扩展的特征形貌。25第I阶段的扩展机理，主要是与滑移有关，裂纹的转向是损伤机理和断裂机理变化之表现。在扩展的第I阶段，驻留滑移机理在滑移面上积累损伤而促成剪切断裂。当裂纹深入后，裂尖的塑性区中，易发生形变的方向的分布性滑移起保护作用，而断裂就发生在正应力最大而不利于滑移的面上，故转向正断。26二、裂纹扩展的第II阶段及断口微观形貌裂纹转向同正应力垂直起，进入第II阶段。在此阶段中每经一个载荷循环，裂纹就向前扩展一步。于是往往在此口上留下一系列的条带（辉纹）。疲劳辉纹是疲劳断口的特征形貌。由于金属塑性良好而均匀，辉纹显得很明显而有规则，如图6－23所示，疲劳辉纹是显微尺度的条纹，宏观不可见的。2728疲劳辉纹的机理可用塑性钝化模型来描述（图6－22）。在疲劳循环的前半周的过程中，裂纹将张开，形成COD，裂尖发生钝化，如图6－22中a→b→c所示。29后半周由拉转向压，则如图c→d→e所示，裂纹闭合，在尖部留下折痕，当再次拉伸时，此折痕保留，裂纹往前伸展一条，在此口上就留下一条辉纹，可见辉纹是裂纹扩展的瞬时前沿，条纹推移的方向（垂直于条纹）即为裂纹扩展方向。这就是疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型。30然而在多晶体材料中，这种有辉纹的穿晶扩展断口，并不是处在一个完整的平坦面上。而是如图6－24所示，在不同高度的台面上扩展。台面与台面之间的台阶连接。这台阶是大体顺着裂纹扩展方向的。这一片一片的台面，叫做疲劳班片。图中示出了与疲劳辉纹平行的二次裂纹。31解理疲劳断口的典型特征是解理疲劳辉纹及与之相垂直的解理河流共存，如图6-34。32三、瞬断区此时，由于有效截面很小，加上裂纹很深而应力集中，应力强度因子达到很高水平，其断裂过程同单调加载的情形相似。33第五节疲劳断口宏观分析疲劳断口分析的目的在于：①判定其是否属于疲劳断裂；②找出疲劳启裂源，然后可进一步分析启裂与材料成份、组织、性能、冶金缺陷、零件形状及表面状态、应力集中、工艺缺陷、载荷水平等的关系；③判断导致断裂的载荷性质及水平；④估计其疲劳裂纹扩展速率，估计寿命。然后可进一步推论其应力主要来源；⑤介质在扩展中的作用。34上节提到疲劳断口包括斜断口的第I阶段，正断口第II阶段及瞬断区。由于第I阶段断口很小（一、二个晶粒深）；第II阶段的初期△K很小，裂纹扩展很慢，断口表面往往被压缩磨擦成光滑的一片，所以，实践中常将此两区合标为疲劳源区或叫核心区，随后是扩展区，实为第II阶段扩展期中具有明显扩展特征的区域，最后为一次断裂性质的瞬断区。疲劳源和扩展区均为宏观脆性，看不出塑性变形。瞬断区的塑性表现视材料性质而定，与尖裂纹的一次加载断裂相同。35扩展区中的贝纹线（或叫海滩花样）是疲劳断口，尤其是工况下高周次疲劳断口中最本质的宏观特征，图6－41为40钢长轴旋转弯曲疲劳断口。其中的贝纹线（海滩花样）十分清楚。36不要将贝纹线与疲劳辉纹混为一体，后者是每一载荷循环引起的裂纹扩展一步所留下的微观条带，而前者是宏观的，贝纹形成的原因是疲劳载荷谱的阶段性变化，例如各个时期应力幅不同，工作与休息（开、停车）的交替，环境介质和温度的较大变化等。因而在单一载荷谱连续疲劳试验断口上不会有贝纹线。37显然，贝纹线也反映瞬时的裂纹前沿和裂纹扩展的方向，因而也就间接地反映出裂纹源的位置，载荷性质（拉、扭、弯）应力水平、应力集中的情况。图6－42显示由六个疲劳源出发的贝纹。多疲劳源往往是因为零件形状造成多个应力集中或由于应力水平高所致。38394041第六章疲劳断裂失效分析思路4243第七节疲劳寿命及其影响因素一、劳寿命的构成根据上面讨论，可把疲劳损伤及断裂的发展进程列于表3－1。分期微观断口范围及其特征宏观断口分区寿命构成裂纹萌生＜0.1um核心区No扩展第I阶段斜断口，1～2个晶位深扩展第II阶段正断口光亮区，无特征有贝纹或辉纹或其它晶体学特征扩展区Ns瞬断一次单调加载断口形貌瞬断区N＜144疲劳寿命以周次计，Nf＝No＋Ns，No/Nf或Ns/Nf受各种因素的影响，并无很精确的比例关系，但大体上说来：①高周次疲劳的No/Nf比低周疲劳时为大。②纯金属比合金的No/Nf小。这似乎可以说明εp是促成启裂的重要因素。45二、速率公式和扩展速率曲线关于疲劳裂纹扩展速率与力学参量的关系，曾提出过许多的经验式，其中广为人们接受和利用的是Paris公式。该公式具有简单、实用的特点。mKcdNda46这里，为疲劳裂纹扩展速率，c和m为材料常数（实测得出）。△K为线弹性断裂力学参数K的变化幅度，△K＝（Kmax－Kmin），对于I型裂纹，为KI的变化量。在外载（名义应力σ）一定的条件下，KI与裂纹深度和长度有关。例如某些简单的情况下，可表达为这里的α是由零件或试样形状、裂纹形态及位置（穿透型、表面型或埋藏型等）决定的参数。dNdaaKI47实际上Paris公式是＝f（△k）扩展速率曲线的中段的近似描述，然而是很有用的一段。＝f（△k）的关系曲线是由实验结果总结出来的，如图6－58所示。由图可知疲劳扩展情况可以分为几个区段。dNdadNda48当△k＜△kth时，→0，△kth叫做疲劳裂纹扩展应力强度因子幅门槛值。一般工程上实测，是按≤10-7mm/次时确定△kth。dNdadNda49曲线的A段，≤10-5mm/次。此时是由于名义应力幅△σ小或由于裂纹浅而△k较小。这种扩展速率形成的辉纹需在20000倍以上，才能分辨出来。在外载荷谱不变的情况下，疲劳裂纹由浅到深的发展过程中，到这一阶段完成前，累计寿命就大体相当于前面的NO。门坎值△kth之大小及近△kth区的扩展速率，受K平均值（或应力比R）、显微组织、晶粒大小影响较明显，尤其是环境的影响十分显著。dNda50曲线的B段，在对数坐标图上为直线，Paris公式是近似描述这一段的情形。这相当于疲劳扩展第II阶段中出现疲劳辉纹的一段，产生的断口属扩展区，这一段研究得较多，以疲劳辉纹为特征。对数坐标曲线的斜率m受金属显微组织、平均应力和介质的影响均不明显，即式中的m大体不变，例如对铁素体或铁素体十珠光体钢m＝4。mKcdNda51曲线的C段，此时随△K增大，且增长的速率愈来愈大，到Kmax＝Kc时就发生瞬时断裂。因此，这一段相当于由扩展区向瞬断区的过渡阶段。由于时间短，介质的影响较少，而组织和平均应力及应力状态的影响较大。dNda52Paris公式一般用于＜10-2mm/次或Nf＞104时较为符合实际。若推广到曲线A，则得到偏于保守的结果，即估计的大于实际值。反之，推广到C区，则是冒险的。dNdadNda53三、疲劳寿命估计法含有裂纹构件的寿命，是由疲劳裂纹扩展速率决定的，这个寿命可以通过断裂力学方法进行估算。首先通过无损探伤技术，确定初始裂纹的尺寸、形状、位置和取向。再根据材料的断裂韧度KIC或σc确定构件的临界裂纹尺寸ac，然后根据裂纹扩展速率的表达式计算从ao到ac所需的循环次数，即将疲劳裂纹扩展速率的表达式进行积分，得到恒力幅度下含裂纹结构件的剩余寿命。54由Paris公式，式中得其中C1＝Cαmπm/2即当m≠2时当m＝2时aKIdNda2/1mmmaCaC2/1mmaCdadNcNomomcmcaaCmdNN21211211occaaCNln121mKcdNda55例3－1，某压力容器的层板上长度为2a＝42mm的周向贯穿直裂纹，容器每次升压和降压时△σ＝100MPa，从材料的断裂韧度计算出的临界裂纹尺寸ac＝225mm，由实验得到的裂纹扩展速率的表达式为＝2×10-10（△KI）