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1、第十二章 疲勞與斷裂 在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱為延滯斷裂。 外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。 由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂； 而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂，或稱靜疲勞； 疲勞與斷裂是材料、構(gòu)件和機(jī)械最常見的失效方式，約占構(gòu)件全部失效的5090。 12.1 疲勞 12.2 低溫斷裂與疲勞 12.3 高溫蠕變與疲勞 12.4 環(huán)境斷裂氫脆 12.1 疲 勞 一、疲勞概念 1、疲勞 2、疲勞失效的特點 二、疲勞裂紋
2、擴(kuò)展的物理模型 1、疲勞失效過程 2、幾種物理模型 3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征 一、疲勞概念 1、疲勞 材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞或疲勞失效。 影響構(gòu)件疲勞行為的因素很多，可以分為四類：材料、外載荷、環(huán)境條件和構(gòu)件的形狀和尺寸。 按外載荷的大小，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。對于金屬材料，通常把疲勞失效周次N f104105的疲勞稱為高周疲勞，反之稱為低周疲勞； 若每個周期內(nèi)的載荷參量不隨時間而變化，稱為恒幅疲勞，否則則為變幅疲勞； 由變動的外載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的疲勞為腐蝕疲勞； 溫度高于再結(jié)晶溫度或高于(0.50.6)Tm時的疲勞，屬于高溫疲勞，Tm為
3、金屬的熔點； 由于溫度的變化形成的變動熱應(yīng)力引起的疲勞，稱為熱疲勞； 低溫影響材料的疲勞行為，還沒有關(guān)于低溫疲勞的確切定義； 應(yīng)變速率大于10 2/s的疲勞問題屬于沖擊疲勞。 2、疲勞失效的特點 (1) 疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂 疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。 (2) 疲勞破壞宏觀上無塑性變形 與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的危險性 。(3) 疲勞是與時間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性 疲勞失效過程是累積損傷的過程。由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的，如圖12.3所示 : 圖12.3 碳鋼的疲勞積累損傷曲線 (4) 與單
4、向靜載斷裂相比，疲勞失效對材料的微觀組織和缺陷更加敏感 這是因為疲勞有極大的選擇性，幾乎總是在構(gòu)件材料表面的缺陷處發(fā)生。 (5)疲勞失效受載荷歷程的影響 過載損傷會導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如圖12.3所示) 圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載到A點卸載再重新加載，其抗拉強(qiáng)度b與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。 圖12.4 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 一定的過載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長疲勞壽命，如圖12.5所示。 圖12.5 過載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng) 二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型 1、疲勞失效過程 疲勞裂紋的擴(kuò)展，一般可分為三個階段，如圖12.6所示。 圖12.6 da/dNK曲線及其微觀機(jī)制
5、示意圖 K th疲勞門檻值； Kc最終斷裂強(qiáng)度因子； K應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。 整個擴(kuò)展過程可以近似地以“s”形曲線來描述： A段為第一階段，K小，擴(kuò)展速率低，da/dNl0-6mm/次，為非連續(xù)區(qū)，呈現(xiàn)一種結(jié)晶學(xué)形態(tài)的斷口； B段為第二階段，da/dN10-5mm/次，為連續(xù)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以疲勞條紋為主； C段為第三階段，da/dN10-3mm/次，為失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以“韌窩”(dimple)、晶間斷裂或纖維狀為主。 2、幾種物理模型 根據(jù)疲勞斷口表面與應(yīng)力軸的相對位向，裂紋擴(kuò)展可分為切應(yīng)變型(第一階段擴(kuò)展)和正應(yīng)變型(第二階段擴(kuò)展)兩種。 根據(jù)裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模型又可以分為三
6、類：滑移型、鈍化型和再生核型，見表12.1： 3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征 （1）疲勞極限與疲勞門檻值 (Endurance Limit and Fatigue Thresholds) 疲勞極限是疲勞曲線水平部分所對應(yīng)的應(yīng)力，它表示材料經(jīng)受無限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。 疲勞門檻值是疲勞裂紋不擴(kuò)展的K最大值。 圖12.8 缺口試件中的應(yīng)力/應(yīng)變場和疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展區(qū)示意圖 a 缺口試件中應(yīng)力/應(yīng)變場簡圖 b 光滑、缺口疲勞極限N與門檻值Kth的相互關(guān)系 圖中：max為最大應(yīng)力； 0與N為光滑與缺口疲勞極限； Kth為疲勞門檻值；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。 Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞
7、極限N與0的關(guān)系： 式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)； Katb為基本門檻值，等于 ； 為缺口半徑； c為臨界應(yīng)力。 2114.110 catbtN KK thK21 疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作用下材料對裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的抵抗力。因為裂紋的萌生與擴(kuò)展的機(jī)制不同，對于現(xiàn)有的金屬材料，在使疲勞極限提高的同時往往降低了疲勞門檻值，反之亦然。 （2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為 在與長裂紋相同的名義驅(qū)動力下，小裂紋擴(kuò)展較快；在長裂紋的門檻值之下，小裂紋仍以較高的速率擴(kuò)展，見圖12.9。 圖12.9 典型的小裂紋與長裂紋擴(kuò)展行為示意 小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況： 裂紋長度與材料的特征微觀尺寸相比不
8、夠大； 裂紋長度與裂紋尖端前方的塑性區(qū)尺寸相比不夠大； 裂紋長度小于某一值。 （3）裂紋閉合行為 裂紋閉合現(xiàn)象是指疲勞裂紋在外加拉應(yīng)力作用下，裂紋張開位移仍為零的狀態(tài)。 一般認(rèn)為裂紋閉合的機(jī)制有三種： 塑性誘發(fā)(Plasticity-Induced)閉合 氧化物誘發(fā)(Oxide-Induced)閉合 粗糙度誘發(fā)(Roughness-Induced)閉合 （圖12.7） 圖12.7 裂紋閉合的三種形式 Elber根據(jù)實驗觀察到的裂紋閉合現(xiàn)象提出了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，定義為 ： 式中： 最大應(yīng)力強(qiáng)度因子； 裂紋完全張開時對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子； 有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。 即裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動力。通過 可
9、以解釋應(yīng)力比R對裂紋擴(kuò)展速率的影響。如圖12.10所示。 opeff KKK m axm axKopK effK effK effK 圖12.10 a裂紋閉合應(yīng)力強(qiáng)度因子 / 與 的變化 b 裂紋擴(kuò)展速率與 和 的關(guān)系 clK m axK KeffKK （4）變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展 超載下的延緩效應(yīng)(Retardation effect) 圖12.11 不同形式的超載對裂紋擴(kuò)展及壽命的影響 可以看出:單個拉應(yīng)力超載和壓-拉超載對疲勞裂紋擴(kuò)展具有最大的延緩效應(yīng)；而拉-壓超載較前二者的延緩效應(yīng)為??；單個壓縮超載對裂紋擴(kuò)展速率影響不大。 超載后產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展延緩效應(yīng)的主要因素有三個： a、裂紋尖端前方超
10、載塑性區(qū)內(nèi)的殘余壓應(yīng)力阻止裂紋的延伸； b、裂紋尖端后方的閉合效應(yīng)阻止裂紋張開； c、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)晶體缺陷密度的增加進(jìn)一步阻止裂紋的延伸。 1989年McEvily等對100超載下的鋁合金延緩效應(yīng)作了定量分析，發(fā)現(xiàn)延緩周次與超載塑性區(qū)尺寸和試樣厚度的比值呈U形變化關(guān)系，見圖12.12。 圖12.12 延緩周次（Nd）隨超載（OL）塑性區(qū)尺寸與試樣厚度比值的變化 導(dǎo)出的延緩周次關(guān)系式為 ： 式中： A 為試驗常數(shù)； 為屈服強(qiáng)度； 為超載應(yīng)力強(qiáng)度因子； E .C.為“過度閉合”(Excess Closure)，可用下式表示： 222 )( 1).( 1 ththyOLd KKKCEKAKN y OLK 2.1222exp16.0. BKKCE yOLOL 變幅載荷下裂紋擴(kuò)展特征 在變幅加載下的裂紋擴(kuò)展速率和恒幅加載下的擴(kuò)展速率不同。除上述超載延緩效應(yīng)外，裂紋擴(kuò)展還會出現(xiàn)停滯或加速。
【現(xiàn)代實驗力學(xué)課件】12.1疲勞
