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經典金屬疲勞裂紋擴展至斷裂機理講解（專業級）

2017-11-21 12:04:03 作者：本網整理來源：金屬材料科學與技術分享至：

通常，疲勞裂紋擴展可以分為三個階段：第I階段（裂紋萌生，shot cracks），第II階段（裂紋擴展，long cracks），第III階段（瞬時斷裂，final fracture）

Fig. 1— Stages I and II of fatigue crack propagation.

第I階段：一旦裂紋萌生以后，就會沿著最大剪切應力平面（約45?）擴展，如圖1所示。這一階段被認為是第I階段或者短裂紋萌生和擴展階段。裂紋一直擴展直到遇到障礙物，如晶界、夾雜物或珠光體區。它無法容納初始裂紋的擴展方向。因此，晶粒細化是可以提升材料疲勞強度的利用了引入大量微觀障礙物的原理。晶界，在裂紋擴展的第I階段需要克服晶粒的阻礙并越過晶界。表面機械處理，例如噴丸和表面滾壓也會引入一些微觀的障礙物，因為它們使晶界被壓扁了。

Fig. 2 — Fatigue striations in （a） interstitial free steel and （b） aluminum alloy AA2024-T42. Figure （c） shows the fatigue fracture surface of a cast aluminum alloy, where a fatigue crack was nucleated from a casting defect, presenting solidification dendrites on the surface; fatigue striations are indicated by the arrow, on the top right side.

第II階段：由于裂紋擴展，實際載荷的上升，應力強度因子K不斷增加，在裂紋尖端附近的不同平面上開始發生滑移，于是就進入了第II階段。相比之下第I階段裂紋擴展方向與載荷方向成45度角，進入第II階段，裂紋擴展方向與載荷方向垂直，成90度角，如圖1所示。第II階段一個非常重要的特征就是斷口表面出現波紋，專業術語稱為疲勞輝紋（Striations），它需要在掃描電鏡的幫助下才能看清楚。并不是所有工程材料在發生疲勞時，進入第II階段都會產生疲勞輝紋。疲勞輝紋在純金屬和一些韌性較好的合金中出現，例如鑄態的鋁合金。在鋼鐵里面，常常在冷作硬化的鋼中發現這種特征。圖2給出了一種在無間隙原子的鋼中和鋁合金中的例子。在韌性金屬斷口上產生的疲勞輝的機理是：裂紋尖端連續鈍化和再銳化圖3所示。

Fig. 3 — Laird′s proposed mechanisms of striation formation in the stage II of propagation: （a） no load; （b） tensile load; （c） maximum tensile load; （d） load reversion and （e） compressive load.

第III階段：最終，當裂紋尖端應力強度因子超過了臨界應力強度因子，那么裂紋失穩，發生快速擴展。在這一階段，裂紋的擴展由失效的靜態模式控制，對微觀組織結構、載荷比以及應力狀態（平面應力加載或平面應變加載）非常敏感。

宏觀上看，疲勞斷口可以分為兩個主要區域，如圖4所示。第一個區域與疲勞裂紋穩定擴展相對應并且呈現出平滑的一面，因為對偶斷裂面會發生相互摩擦。有時候，在斷口表面上能看到“海灘標記”，它是載荷變化的結果，或因為臨時停止加載，或因為過載在裂紋尖端引入了壓縮殘余應力。

最終斷裂：斷口上其它的部分就對應著最終斷裂區，呈現出纖維狀和不規則特征。在這個區域里，斷口既可以是延性的，也可以是脆性的。它取決于材料的力學性能，構件的幾何尺寸或加載條件。

每一個區域的準確比例取決于實際載荷水平。載荷越高，穩定擴展區域比例越小，如圖4所示。在另一方面，如果加載的載荷較小，那裂紋擴展較長距離以后才能超過臨界應力強度因子，達到材料的斷裂韌度值，導致瞬時斷裂區較小，如圖4（b）所示。

Fig. 4 — Fatigue fracture surface: （a） high applied load; （b） low applied load.

棘輪花樣：棘輪花樣是在疲勞斷口表面可以觀察到的另外一種宏觀特征。這些特征通常出現在多源開裂的情形中，裂紋萌生于不同的位置時，當它們相互匯合時，就會在斷口上出現臺階。因此，棘輪花樣的數量是裂紋起始點數量的一個很好的指標。圖5給出了疲勞斷口上機輪花樣的細節信息。

Fig. 5 — Ratcheting marks, indicated by the arrows, in a SAE 1045 shaft fractured by fatigue.

擴展速率：相似于起始階段，很多因素會影響長疲勞裂紋的擴展速率。其中，最應該關注的就是載荷比和殘余應力的影響。增加載荷比從趨勢上會增加長裂紋擴展速率，如圖6所示。通常增加載荷比對Paris體系的影響比臨近門檻值和近失效區的影響小。接近門檻值應力強度因子，比例R可歸因于裂紋閉合效應。

Fig. 6 — Schematic representation of the R ratio effect on fatigue crack growth curves. The near threshold, Paris regime, and final failure regions are also indicated on the curves.

幾種不同的機制導致裂紋閉合，可塑性誘導閉合如圖7所示。隨著裂紋的長大，已在塑料區內預先永久變形的材料現在在裂紋尖端的塑性區形成包絡線。這導致垂直于裂紋表面的位移約束被解除。當裂紋張開的時候這并沒有問題，然而，當載荷下降以后，在最小載荷來臨之前裂紋表面接觸，遮擋了裂紋。這種過早的接觸，也還有一些其它情況，如圖7所示。