（动力机械及工程专业论文）复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 当前宏观断裂力学研究虽然已经取得了一定成果，但研究表明，传统的宏观断裂力 学理论己不再适用于短裂纹，而且短裂纹扩展速率表现出很大的随机性，因此要求我们 从微观着手深入研究短裂纹行为规律。目前对短裂纹的研究离工程应用还有较大差距， 尤其是对于复杂应力作用下高温低周疲劳短裂纹的群体演化行为研究尚属空白，有待进 行研究。 为研究复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹的群体演化行为，对1 6 m n r 材料进行了 高温低周疲劳试验，试验温度4 0 0 ，采用圆柱形缺口试样。为得到宽范围内的疲劳短 裂纹扩展数据，分别对不同试样缺口尺寸和不同载荷条件进行了疲劳试验。为研究短裂 纹萌生及扩展规律，采用复膜技术对短裂纹行为进行跟踪，并应用电脑型金相显微镜及 测量软件对高温低周疲劳表面短裂纹群体演化行为进行了观测与分析。 试验中观察到短裂纹形状多为z 型，试验结果表明疲劳短裂纹往往萌生于试样缺口 底部表面和缺口表面缺陷处，其扩展复杂，路径曲折，且数据分散性大，强烈地受材料 微观组织的影响，疲劳短裂纹在长度、角度、密度和扩展速率方面虽数据分散但具有自 身的规律，受外部因素的影响较小。 关键词：复杂应力：高温低周；疲劳短裂纹；群体演化 i 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 a n a l y s i so ft h ec o l l e c t i v ee v o l u t i o no fh i g ht e m p e r a t u r el o w - c y c l e s h o r tf a t i g u ec r a c ku n d e rc o m p l e xs t r e s sc o n d i t i o n t h o u g ht h em a c r of r a c t u r em e c h a n i c sh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s , t h e t h e o d , c a l ln o tb ee m p l o y e d t od e a l , w i t hs h o r tc r a c k sf o rt h er a n d o m i c i t yo f p r o g r e s s i o nr a t eo f t h es h o r tc r a c k s a tp r e s e n t ，t h es t u d yo f s h o gc r a c k si sf a rf r o mp r a c t i c a lu s a g e ，e s p e c i a l l yt h e s t u d yo f c o l l e c t i v ee v o l u t i o no f h i g ht e n a p e r a t u r el o w - c y c l es h o r tf a t i g u ec r a c ku n d e rc o m p l e x s t r e s sc o n d i t i o ni ss t i l iab l a n kf i e l d ， t h e1 6 m n rc y l i n d r i c a ls p e c i m e n sw i t hc i r c l ei n d e n t a t i o nw e r ee m p l o y e di nt h el o wc y c l e s h o r tc r a c k sf a t i g u et e s t su n d e r4 0 0 c t oo b t a i nd a t ao f t h ef a t i g u es h o r tc r a c k sp r o g r e s s i o ni n l a r g ee x t e n t ，s p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tc i r c l ei n d e n t a t i o ng a u g ew e r et e s t e da n dd i f f e r e n tl o a d c o n d i t i o nw a sa p p l i e d t h r o u g ht e s ti n t e r r u p t i o na n dc o p y s u r f a c em e t h o d ，t e s t sw e r ec o n d u c t e d t oo b s e r v ea n da n a l y s et h ei n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o np r o c e s so f s h o r tc r a c k sw i t l l m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e t h ec r a c k so b s e r v e di nt h et e s t sa l eo f z s h a p ew h e ni nt h e i rm i n o rs i z e t h er e s u l t so f t h et e s t si n d i c a t et h a tt h es p o t sw h e r et h ef a t i g u es h o r tc r a c k si n i t i a t e da r ea tt h eb o t t o ms u r f a c e o f t h ec i r c l ei n d e n t i o na n ds o m ed i s f i g u r e m e n tp l a c e si nt h a ts u r f a c e t h ep r o p a g a t i o n p a t h so f t h ec r a c k sa l ev e r yc o m p l e xa n dt h ed e c e n t r a l i z a t i o no f t h eo b t a i n e dd a t ai sv e r ys e v e r ed u et o t h em i c r oo r g a n i s mo f t h em a t e r i a l ，w h i l et h ed i s l r i b u t i o no f t h es h o r tf a t i g u ec r a c k se x i s ts e l f - r e g u l a r i t yo nt h e i rl e n g t h ，a n g l e ，d e n s i t ya n de x p a n s i o nr a t eo f t h ec r a c k s ，w h i c ha r el e s s a f f e c t e db yt h eo u t e rf a c t o r s k e yw o r d s ：c o m p l e xs t r e s s ；h i g ht e m p e r a t u r el o w - c y c l e ；s h o r tf a t i g u ec r a c k ； c o l l e c t i v ee v o l u t i o n 1 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着科学技术的发展，疲劳问题越来越引起人们的重视。据统计有大约8 0 以上的 工程结构破坏与疲劳有关【1 ，2 。在工程实际中有许多设备结构，如锅炉、汽轮机、航空 发动机等，都长期工作在高温高压的环境中，承受高温交变载荷的作用。尤其是随着社 会经济的发展，石油、化工、能源工业的工艺向着高温、高压和大型化发展，设备工作 条件更加苛刻，对其安全可靠性提出了更高的要求，迫切需要对材料高温问题进行深入 研究。复杂应力作用下材料的损伤演化问题是损伤力学中一直难以解决的问题，尤其是 对于复杂应力作用下高温低周疲劳短裂纹的群体演化行为研究基本属于空白，有待进行 更深入细致的研究。 1 1 疲劳短裂纹研究的历史及现状 人类对于疲劳现象的研究己经有1 0 0 多年的历史，在这一进程中的成就主要有： ( 1 ) 1 8 5 0 1 8 7 0 年，w o h l e r 建立了第一条s - n 曲线，提出了疲劳极限的概念： ( 2 ) 1 8 7 0 1 8 9 0 年，g e r b e r 研究了平均应力的影响，g o o d m a n 提出了考虑平均应 力影响的g o o d m a n 图； ( 3 ) 1 9 0 0 - - 1 9 0 2 年，e w i n g 和n u m f r e y 研究了疲劳滑移带和微裂纹的形成； ( 4 ) 1 9 2 0 年，g o u g h 研究了疲劳中的滑移系作用和s c h m i d 临界切应力定律； ( 5 ) 1 9 3 0 年，h i 西研究了残余应力在疲劳中的作用； ( 6 ) 1 9 3 7 年，n e u b e r 提出了缺口根部的应力梯度效应； ( 7 ) 1 9 4 5 年，m i n e r 提出线性积累损伤定律； ( 8 ) 1 9 5 3 年，f o r s y t h 发现侵入一挤出现象； ( 9 ) 1 9 5 8 年，t h o m p s o n 和w a d s w o r t h 观察到微裂纹在驻留滑移带内的形成； ( 1 0 ) 1 9 6 2 年，m a n s o n 和c o f f i n 提出塑性应变幅和疲劳寿命之间的关系，即 m a n s o n c o f f i n 公式；l a i r d 提出疲劳裂纹第1 i 阶段扩展的钝化模型： ( 1 1 ) 1 9 6 3 年，p a r i s 提出疲劳裂纹扩展速率d a d n 和应力强度因子幅女之间的关 系，即p a i l s 公式： ( 1 2 ) 1 9 6 9 年，w e i 和i a n d e s 提出腐蚀疲劳裂纹扩展的线性加模型； ( 1 3 ) 1 9 7 0 t 9 8 0 年，l a i r d 、m u g h r a b i 和w i n t e r 建立了铜单晶循环应力应变曲线 与位错结构的关系： ( 1 4 ) 1 9 8 0 一1 9 9 0 年，疲劳短裂纹和裂纹在门槛值附近的行为受到重视和注意； 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 ( 1 5 ) 近期人们正从事把现有的关于金属体系疲劳知识扩充应用到非金属材料和复 合材料等先进材料中。 从上面列出的一百多年来疲劳研究的进程可以看出，其发展势头长盛不衰，已达到 很高水平，时至今日，对疲劳短裂纹的研究已成为整个疲劳研究领域的重点之一，并且 同益引起人们的广泛注意和兴趣。 目前对于短裂纹的定义有两种说法：其一，从力学角度来说，把不满足线弹性断裂 力学有效性条件的裂纹统称短裂纹。其二，从物理学角度来说，短裂纹指裂纹长度不超 过应力、应变场的范围，或者说长度与塑性区同一数量级的裂纹。 自1 9 7 5 年p e a r s o n 【3 】最早明确提出所谓的“短裂纹”概念以来，人们提出各式各 样的机理用以阐明这一问题。相应于此的各种理论也被用以预测短裂纹的扩展规律，一 般地，按影响短裂纹扩展有关主导因素的差异，可将短裂纹问题分为以下四种【4 】： ( 1 ) 微观组织短裂纹：裂纹尺度与材料微观组织的特征尺寸( 如晶粒尺度、增强 复合材料中的颗粒间距或第二相颗粒尺度) 相当时，裂纹的扩展特性要受到材料微观特 性的影响，这便是所谓的微观组织短裂纹。 ( 2 ) 物理短裂纹：裂纹尺度明显超过材料微观组织的特征尺寸或局部塑性尺寸， 只是从物理的角度由于裂纹尺度仍属于“小”的范畴，从而使得此时的闭合效应不明 显，并直接影响到其相应的裂纹扩展速率。这种裂纹的长度一般小于l m m 。 ( 3 ) 力学短裂纹：裂纹近顶端塑性区尺寸与裂纹尺度可比的光滑试样中的裂纹， 或者包含在缺口塑性场之内的疲劳裂纹。 ( 4 ) 化学短裂纹：由于环境引起的腐蚀效应对裂纹“尺寸”这一概念有影响，故 使得裂纹扩展速率显现出异常行为。有时也将这种裂纹称为化学短裂纹。 根据上述不同机理，人们分别提出许多种理论或处理方法( 如微观结构效应模型 5 1 0 】，闭合效应模型【l l ，1 2 ，宏观塑性效应模型 1 3 】，裂纹偏折模型 1 3 ，1 4 】，环境 效应模型【1 5 $ u 短裂纹统计分析模型【1 6 ，1 7 等) 分别用以解释各种裂纹扩展主导因素 作用下的裂纹扩展规律。它们在l 定程度上解释了短裂纹扩展规律，但进一步的工作有 待于深入的开展。 关于短裂纹的形成，有如下三种解释： ( 1 ) 在疲劳过程中，由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能上的持 续硬化现象。对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大，而对于微观 屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低且饱和值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬 化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定载蕊循环下，滑移带在较 大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带 逐渐加深或变宽，之后就在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细 小疲劳裂纹。 ( 3 ) 疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进 晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形 成沿晶裂纹。 短裂纹行为具有以下两方面的特征： ( 1 ) 通常形成于材料或构件表面。表面晶粒所处的变形约束环境与内部晶粒不 同，会导致严重的内外力学性能差异。因而表面处易于形成裂纹。 ( 2 ) 受微观结构的影响。表面微观结构对短裂纹行为有着显著的影响裂纹总是 有选择的形成于材料或构件表面局部区域。 1 2 疲劳短裂纹扩展规律及研究意义 构件因承受疲劳载荷而发生的失效现象，可以归结为裂纹的萌生、扩展和最终失效 三个阶段。在裂纹尺度较长( 如若干毫米以上的尺寸) 的情形下，可以直接采用线弹性 断裂力学方法来对问题加以描述，对于短裂纹问题以前则归入疲劳裂纹的“孕育期”来 处理。 用断裂力学概念描述疲劳裂纹扩展问题要以疲劳实验所获得的实验结果作为研究的 基础之一。所用试样通常含有尺度为几毫米以上的长裂纹。这一作法隐含了如下相似性 概念：对于受到某一特定载荷历程作用的载荷一环境体系，即使试样尺寸不同，试样中 裂纹几何条件也不一致，只要描述参量( 如小范围屈服时的应力强度因子) 取值相同， 裂纹的近顶端场就基本相同。然而在实际工作中人们却发现：当其裂纹长度介于某特定 尺寸时( 通常小于l m r n 【1 8 ) ，采用线弹性断裂力学来描述其扩展规律时，往往得到如 下“异常”的结果： ( 1 ) 短裂纹可在低于长裂纹应力强度因子门槛值，。时发生扩展，即短裂纹女。 的值随裂纹长度的减小而降低。 ( 2 ) 在同样的名义驱动力女作用下，短裂纹具有比长裂纹高得多的裂纹扩展速 率。 ( 3 ) 在一定范围内，短裂纹扩展速率随裂纹长度的增加而刚氐，当长度跨越一临 界值后再次呈现加速扩展的趋势。 3 - 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 ( 4 ) 短裂纹的萌生和发展明显受材料微观组织的影响，例如晶粒大小，第二相尺 度与分布都与裂纹扩展过程中的闭合效应，偏折效应密切相关，由此造成短裂纹实验数 据具有较大的分散性。 ( 5 ) 微观组织短裂纹可以弥散地萌生和发展，单位面积上的裂纹数随循环次数的 增加而增加，并且随着损伤过程的发展将会发生裂纹汇合现象。 短裂纹之所以会出现上述异常现象，是由于线弹性断裂力学的相似性原理已不能有 效应用于短裂纹阶段的扩展，使线弹性断裂力学的相似性原理失效的机制如下 1 9 ： ( 1 ) 局部的微观不连续，例如晶界、兴杂物、沉淀相和增强剂，由于它们的尺度 与初生的微观组织短裂纹的深度相当，对疲劳短裂纹扩展的路径和速率有一定的影响。 这些几何的和结构的不连续性，以及晶粒的晶体取向对疲劳长裂纹扩展的影响要小得 多，因为在这种情况下，裂纹顶端部位含有许多晶粒，断裂行为主要由材料的整体性能 控制。 ( 2 ) 因为周围弹性材料所施加的约束不同，在大小相等的名义a k 的作用下，疲劳 短裂纹的微观扩展机制与长裂纹会有很大差异。光滑试样由自由表面萌发的疲劳短裂纹 所受到的约束与同种材料穿透疲劳长裂纹顶端的约束条件是不同的。近表面短裂纹的晶 体学第1 阶段扩展也使裂纹顶端出现严重的混合型载荷条件。 ( 3 ) 因为微观组织疲劳短裂纹和疲劳长裂纹的扩展机制不同，在这两种情况下由 裂纹偏折引起的有效驱动力的变化也有很大差别。单个晶粒内部的短裂纹周围的形变由 晶体塑性控制，这些裂纹的晶体学扩展使裂纹顶端出现强烈的混合型载荷条件。因此， 短裂纹的裂纹偏折与裂纹顶端塑性的综合效应也与疲劳长裂纹不同。 ( 4 ) 即使加载条件和裂纹尺寸满足线弹性断裂力学描述的要求，疲劳裂纹的物理 微小性也会使其扩展加速。对于顶端后部具有较长尺寸的裂纹，各种闭合机制引起的裂 纹面的提前接触对降低其扩展速率的有利影响相对会大得多。 ( 5 ) 在一定的腐蚀介质中，由于腐蚀疲劳机制与裂纹尺寸有关，因此在大气环境 中可能存在的疲劳裂纹之间的相似性会被破坏。 连续介质近似或相似性对于断裂力学的成功应用是至关重要的，短裂纹问题所涉及 的极限情况破坏了这种近似或相似性。简言之，采用线弹性断裂力学的相似性原理己不 再f 确反映裂纹扩展初始阶段即短裂纹阶段的相应规律。倘仍旧按此法去研究短裂纹疲 劳扩展这类问题，所得到的结果往往只是对构件疲劳寿命的非保守估计，造成构件服役 的潜在危险性。同时，短裂纹的萌生和初始扩展所消耗的时间是疲劳破坏的开始和重耍 损伤阶段，会占构件疲劳寿命的绝大部分，此外对该问题的研究还涉及现代非线性理论 4 大连理工大学硕士学位论文 在该领域的具体应用，因此对疲劳短裂纹扩展规律的研究不仅具有极强的理论意义，而 且还具有深远的现实意义。 1 3 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化研究的意义 复杂应力作用下材料的损伤演化问题是损伤力学中一直难以解决的问题。由于材料 多处于复杂应力作用下，表面或内部的众多短裂纹会出现与一维应力作用下不同的响 应，表现出异常的规律，加之受到高温因素的影响，因此本构关系复杂，观察、记录裂 纹的演化过程困难，损伤演化变量难以确定，因而对复杂应力状态下疲劳短裂纹群体演 化行为的研究基本上属于空白。 在工程实际中有许多设备结构，如锅炉、汽轮机、航空发动机、原子反应堆的热交 换器等，都长期工作在高温高压的环境中，承受高温交变载荷的作用，而且绝大多数为 低周疲劳。高温结构的安全性和使用寿命取决于结构材料的高温力学性能，特别是抗蠕 变一疲劳陛能【1 】。据统计，由于结构的断裂、疲劳及腐蚀损伤，每年所造成经济损失 占美、日、欧共体等国民生产总值的6 8 。据我国劳动部统计，我国在8 0 年代发 生的锅炉和压力容器爆炸事故约五千起，人员累计伤亡近万人，居国内劳动安全事故的 第二位，比工业化先进国家高十倍，其中恶性重大事故比工业化先进国家高一百倍。另 一方面，目前已有大量的石油、化工厂、发电厂运行了相当一段时间，其关键部件已超 过设计寿命，从经济观点来看，人们希望这些工厂能再继续运行2 0 4 0 年，为此必须 研究延长设备使用寿命的高新技术，尽可能挖掘设备潜力。同时，以高温固体力学为基 础的寿命评价技术可用于此方面，如制定设计规范和标准、建立合适的设备检修间隔、 制定合理的维修计划及操作规程等。寿命评价技术的开发与研究己成为现代工业生产不 可缺少的组成部分，而且寿命评价技术所带来的经济效益也是相当可观的。通常，在生 产相同效益的情况下，对于一个达到设计寿命的火电厂，采取延寿措施所需费用仅为建 造一个新厂的2 0 3 0 左右，又如根据断裂力学的评价方法，现代的发动机转子检修 间隔可以从6 年延长l o 年【2 0 】。 为了延长结构寿命、提高使用效益和减少事故的发生，各国学者们纷纷展丌了对材 料高温性能的深入研究，特别是通过宏观、微观研究相结合的研究方法，使人们对材料 性能及断裂行为的认识上升到一个新的高度。人们认识到，材料的损伤过程是全体裂纹 共同作用的结果，而不是个别裂纹在起作用。短裂纹在其扩展过程中表现出较强的群体 干涉行为，所谓短裂纹群体行为j 是指短裂纹群体的萌生与发展过程，包括裂纹的萌生 分布、生长规律、裂纹间相互作用，以及一些表征短裂纹群体性质的物理量的发展过 程，如裂纹密度。裂纹群体行为研究是材料疲劳研究中的一个重要组成部分，不仅能够 5 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 对单裂纹行为的研究进行验证与启发，而且可以对材料疲劳寿命及疲劳可靠性的预测提 供有力的帮助。目前，疲劳短裂纹萌生、扩展及疲劳短裂纹群体演化行为的研究，由于 试验条件的限制及计算方法的不完善，多在常温一维应力状态下进行，而实际工程材料 或结构多处于复杂应力状态，且常常受到高温的影响，因此研究复杂应力状态下高温低 周疲劳短裂纹的萌生、扩展及其群体演化行为具有重要的理论价值和工程实际意义，而 且对于安全生产和国民经济发展也具有十分重要的意义。 1 4 本文主要研究工作 本文着重在高温复杂应力状态条件下对低周疲劳短裂纹的试验方法、萌生机理、扩 展规律及其扩展中的群体行为进行了初步的研究及探索，并对影响疲劳短裂纹扩展的一 些因素进行了分析。 6 大连理工大学硕士学位论文 2 疲劳短裂纹萌生机理 2 1 金属材料的晶体缺陷 在实际晶体中，由于原子( 或离子、分子) 的热运动，以及晶体的形成条件、冷热 加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完 整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对 那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影 响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。 晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷 2 1 】。 2 1 1 点缺陷 点缺陷是最简单的晶体缺陷。，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正 常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组 成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位一溶质原子对等。在一定温度下，晶体中达 到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中的点缺陷并不是固定不动 的，而是处于不断的运动过程中。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将 落人该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处 作无规则的布朗运动，这就是晶体中原予的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕 变、烧结等物理化学过程的基础。 2 1 2 线缺陷( 位错) 位错是晶体中的线缺陷，是一种有规律或有序的缺陷。位错线及其运动方向构成的 平面，就是晶体的滑移面。位错的密度，即单位体积内位错线的总长度，在退火金属材 料中通常约为1 c c m c m 3 。 1 、位错的结构 从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型，即刃型位错和螺旋型位错。 刃型位错的结构可用图2 1 加以说明 - 7 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 图2 1 刃型位错结构 f i g2 , 1e d g ed i s l o c a t i o ns t r u c t u r e 螺旋型位错的结构如图2 2 所示。 图2 2 螺旋型位错结构 f i g2 2s p i r a ld i s l o c a t i o ns t r u c t u r e 除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，其滑移矢量既 不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。 由于位错线是己滑移区与未滑移区的边界线。因此，位错具有一个重要的性质，即 一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面( 包括晶界) 。若它终止于晶 体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为 位错环，晶体中的位错环如图2 3 所示。 8 大连理工大学硕士学位论文 槽移面 a 滑移方向 滑 ， 移 c b d 一向。 b ( b ) 图2 3 位错环 f i g2 3d i s l o c a t i o nl o o p 图中的阴影区是滑移面上一个封闭的已滑移区。显然，位错环各处的位错结构类型 也可按各处的位错线方向与滑移矢量的关系加以分析，如a ，b 两处是刃型位错，c ， d 两处是螺型位错，其他各处均为混合位错。 2 、位错的生成 晶体中的位错来源主要可有以下几种： ( 1 ) 晶体生长过程中产生位错。其主要来源有： 由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同， 从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡： 由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引 起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错； 晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热 应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。 ( 2 ) 出于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形 成位错。 ( 3 ) 晶体内部的某些界面t ( 如第二相质点、孪晶、晶界等) 和微裂纹的附近，由 于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域 发生滑移时，就在该区域产生位错。 3 、位错的增殖 经剧烈塑性变形后的金属晶体，其位错密度可增加4 5 个数量级。这个现象充分说 明晶体在变形过程中位错必然是在不断地增殖。实验结果表明，一般经充分退火的多晶 9 酒 f 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 体金属中，位错密度约为1 0 6 1 0 8c m c m 3 ：但经精心制备和处理的超纯金属单晶体，位 错密度可低于1 0 3c m c m 3 ：而经过剧烈冷变形的金属，位错密度可高达1 0 1 0 - 1 0 1 2 c 1 c m 3 。 2 1 3 面缺陷( 界面) 严格来说，界面包括外表面( 自由表面) 和内界面。表面是指固体材料与气体或液 体的分界面，它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、催化、吸附现象，以及光学、微电子学等 均密切相关；而内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。 界面是通常包含几个原予层厚的区域，该区域内的原子排列甚至化学成分往往不同 于晶体内部，又因它是二维结构分布，故也称为晶体的面缺陷。界面的存在对晶体的力 学、物理和化学等性能产生重要的影响。 1 、外表面 在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同，表面原子会偏离其正常的平衡位置，并 影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高 能量的原子层称为表面。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能( j m 2 ) 。 表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原予密排的表面具有最小的表面能。所 以自由晶体暴露在外的表面通常是低表面能的原子密排晶面。 2 、内界面 ( 1 ) 晶界和亚晶界 多数晶体物质是由许多晶粒所组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称 为晶界，它是一种内界面；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成， 相邻亚晶粒闻的界面称为亚晶界。晶粒的平均直径通常在0 0 1 5 0 2 5r a i n 范围内，而亚 晶粒的平均直径则通常为0 0 0 1 m m 数量级。 晶界位置可用两个晶粒的位向差和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角来确定。根 据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类： 小角度晶界：相邻晶粒的位向差小于1 0 。的晶界：亚晶界均属小角度晶界，一 般小于2 。； 大角度晶界：相邻晶粒的位向差大于1 0 。的晶界，多晶体中9 0 以上的晶界属 于此类。 按照相邻亚晶粒之间位向差的型式不同，可将小角度晶界分为倾斜晶界、扭转晶界 和重合晶界等。多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。大角度晶界的结构 较复杂，其中原子排列较不规则，不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替 1 0 大连理工大学硕士学位论文 相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中大角度晶界的宽 度不超过3 个原子间距。 晶界能 晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化( d f d a ) ，它等于界面区 单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。 小角度晶界的能量主要来自位错能量，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，所 以，小角度晶界能也和位向差有关。 在平衡状态下，三叉晶界的各面角均趋向于最稳定的1 2 0 。，此时，各晶粒之间的 晶界能基本相等。 晶界的特性 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。因此，晶粒的长大和晶界的平直化都能减少 晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。然而晶粒的长大和晶界的平真 化均需通过原子的扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两 过程的进行。 晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用， 致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材 料的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性， 易使相邻晶粒产生相对滑动。 晶界处原予偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空 穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多。 在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶 界处优先形核。显然，原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高。 由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往晶界熔点较 低，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生。 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，与晶 内相比，晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示全相样品组织的依据，也是某 些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。 ( 2 ) 孪晶界 孪晶是指两个晶体( 或一个晶体的两部分) 沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关 系，这两个晶体就称为孪晶，此公共晶面就称孪晶面。孪晶界可分为两类，即共格孪晶 界和非共格孪晶界。 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 共格孪晶界就是孪晶面，在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两 个晶体所共有，属于自然地完全匹配是无畸变的完全共格晶面，因此它的界面能很低 ( 约为普通晶界界面能的1 1 0 ) ，很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为常见。 如果孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，即可得到另一种孪晶界一非共格孪晶界。此时， 孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有，因而原子错排较严重，这种孪晶界的能量 相对较高，约为普通晶界的1 2 。 孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。依孪晶形成原因的不同，可分为形变孪晶、生 长孪晶和退火孪晶等。正因为孪晶与层错密切相关，一般层错能高的晶体不易产生孪 晶。 ( 3 ) 相界 具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。按结构特点，相界面可分为共格相 界、半共格相界和非共格相界三种类型。 共格相界 所谓共格是指界面上的原子同时位于两相品格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接 的，界面上的原子为两者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孪晶界，且孪晶界即 为孪晶面时才可能存在。 半共格相界 若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一 一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原 子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 非共格相界 当两相在相界面处的原子排列相差很大时，只能形成非共格界面。 从理论上来讲，相界能包括两部分，即弹性畸变能和化学交互作用能。弹性畸变能 大小取决于错配度的大小，而化学交互作用能取决于界面上原子与周围原子的化学键结 合状况。相界面结构不同，这两部分能量所占的比例不同。如对共格相界，由于界面上 原子保持着匹配关系，故界面上原子结合键数目不变，因此这里应变能是主要的；而对 于非共格相界，由于界面上原子的化学键数目和强度与晶内相比发生了很大变化，故其 界面能以化学能为主，而且总的界面能较高。从相界能的角度来看，从共格至半共格到 非共格依次递增。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 2 2 疲劳短裂纹萌 - - i ：$ j l 理 2 2 1 疲劳破坏 疲劳破坏一般分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三类【2 2 】。 机械疲劳是指材料或零件在交变载荷作用下而引起的破坏。机械疲劳根据载荷作用 下的幅度和频率又可分为常幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳。常幅疲劳是指交变应力的幅 度和频率是固定不变的；变幅疲劳是指交变应力的幅度变化而频率不变；随机疲劳则是 应力幅度和频率都在变化。机械疲劳根据材料破坏前所经历的循环次数寿命，又可分为 高周疲劳和低周疲劳。低周疲劳是指断裂前的循环次数较少，一般少于1 0 4 1 0 5 次，在 每次循环过程中都发生了塑性变形，低周疲劳是塑性变形累积的结果，因此有时把低周 疲劳称为塑性疲劳。高周疲劳是材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限，有时只有 屈服极限的1 3 左右，断裂前的循环次数大于1 0 5 1 0 7 次，通常用s - n 曲线来描述材料 的疲劳特性，高周疲劳的寿命主要是由裂纹萌生寿命组成。机械疲劳若按载荷的类型又 可分为振动疲劳( 包括颤振疲劳、共振疲劳) 、轴向拉压疲劳、接触疲劳、弯曲疲劳和 复合应力疲劳等。 热疲劳是由于温度的循环变化而引起的应力或应变的循环变化。并由此产生的疲劳 破坏。产生热疲劳必须具备两个条件，其一，必须有温度循环变化，其二，必须有机械 约束。温度变化佼材料膨胀或收缩，但由于受到约束从而产生了热应力。 腐蚀疲劳是在循环交变应力和腐蚀环境联合作用下而产生的疲劳。因此必须具备疲 劳循环和腐蚀环境两个条件。 2 2 2 疲劳短裂纹的萌生 疲劳破坏过程一般可分为三个阶段：疲劳裂纹萌生( 也称形核，孕育等) 、扩展和 瞬时断裂。疲劳断裂是循环交变应力、拉应力和塑性应变同时作用的结果，循环交变应 力促使裂纹萌生，拉应力促使裂纹扩展，塑性应变则影响着整个疲劳过程。 疲劳裂纹总是首先在应力最高，强度最弱的基体上形成。对于普通的金属零件，机 械加工产生的切削、表面擦伤、亚表面夹杂物、结构上的内圆角等应力集中部位，易发 生裂纹萌生。归纳起来疲劳裂纹的萌生主要有以下三种形式：夹杂物和基体界面开裂、 滑移带开裂、晶界开裂【2 3 - 2 6 】。 1 、夹杂物和基体界面开裂 在金属材料中，常常不同程度地存在着一些非金属夹杂物，如一些氧化物等，以及 为强化目的而引入的第二相粒子。这些夹杂物或第二相粒子，在交变应力作用下与基体 1 3 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 沿界面分离；合金中的夹杂物和第二相粒子在交变应力作用下本身也可能发生断裂。这 样就导致裂纹萌生。图24 显示了夹杂物与基体界面开裂的过程示意图。因此，减少夹 杂物或第二相粗大粒子是延迟疲劳裂纹萌生的有效措旌。 拉 应 3 方 向 基体与夹杂物紧密相连 ( a ) 边脱开形成裂缝 ( b ) 两 边 脱 开 形 成 裂 ( c )缝 ，成核 ，一、 短裂纹 一 裂纹 ( y f卜 彳 卜 ( d )( e )( ) 图2 4 夹杂物与基体界面开裂过程 f i g2 4c r a c ki n i t i a t i o no fi m p u r i t ya n di n t e r f a c e 2 、滑移带开裂 在一般韧性好的金属材料中，疲劳裂纹一般起始于晶界附近或某些滑移带上。在单 向静拉伸作用下，金属试样的抛光表面可以观察到滑移带。由于滑移带的存在，在材料 表面出现“侵入沟”和“挤出带”。般韧性好的无裂纹光滑试件其疲劳裂纹就是由滑 移产生的，且裂纹源在试 牛表面。滑移带是一种不可逆的塑性变形，随着疲劳的继续， 这种由滑移带所形成的凸起( 峰) 和凹进( 谷) 更明显，从而在材料表面产生一些粗细 不一的凹凸形变，并在凹进处形成微裂纹，而成为裂纹源，如图2 5 所示。对材料表面 进行周期地抛光，消除凸起和凹进现象可提高疲劳寿命。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 表面 缺口 滑移带 ( a )( b ) 图2 5 滑移带疲劳裂纹起源示意图 f i g2 5f a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o ni ns l i pb a n d 对于高强度金属材料，疲劳裂纹源一般在应力集中处，而与滑移变形关系不大。因 为：( 1 ) 在高强度材料中一般导致疲劳断裂的交变应力，远低于材料的屈服极限，在 这样的交变应力作用下，发生局部滑移是有限的；( 2 ) 高强度材料中，即使发生局部 滑移，它的滑移距离非常短，所产生的塑性变形也很小；( 3 ) 在高强度材料中随着强 度级别的增加，对应力集中的敏感性也增加，不需很大应力就可能在应力集中处形成裂 纹。 3 、晶界开裂 对于高温下的材料，当滑移带到达晶界时，在晶界处受阻。由于循环交变应力的继 续作用，在晶界前造成位错塞积，产生局部应力集中2 6 1 。当位错塞积形成的应力达到 理论断裂强度时，晶界开裂并形成短裂纹。材料晶粒尺寸愈大，晶界上的应变量愈大， 位错塞积群愈大，应力集中就愈高，愈易形成裂纹。因此，可通过细化晶粒的办法来推 迟疲劳裂纹的萌生。 2 3 疲劳裂纹的闭合现象 在七十年代初，e l b e r 就发现了疲劳裂纹的闭合现象，所谓裂纹闭合是指在一个疲 劳循环周期内裂纹并不是总保持着张开的状态，其裂纹尖端部分有可能接触而发生局部 闭合，这种现象不但发生在载荷比小于零，即r = p m i n p m a x 0 的情况下，也发生在r 大于零的情况下，裂纹闭合使得裂纹的实际驱动力小于名义驱动力。三十年来，人们在 裂纹闭合方面进行了大量的研究，获得了许多宝贵的知识。 1 5 界晶 一 j 、j l 、f 带 移滑 复杂应力状态下高温低周疲劳短裂纹群体演化行为研究 随着人们对裂纹的认识，裂纹闭合机制已由e l b e r 提出的塑性诱发裂纹闭合机制扩 展到了五种：塑性诱发裂纹闭合、粗糙度诱发裂纹闭合、氧化物诱发裂纹闭合、粘性流 体诱发裂纹闭合和相变诱发裂纹闭合。但人们通常研究较多的是塑性诱发裂纹闭合、粗 糙度诱发裂纹闭合和氧化物诱发裂纹闭合，如图2 6 所示，而且只有塑性诱发裂纹闭合 研究较深，其它由于复杂性，远远没有达到实用阶段。 塑性区 ( a ) 塑性诱发裂纹闭合( p l a s t i c i t yi n d u c e dc r a c kc l o s u r e ) ( b ) 粗糙度诱发裂纹闭合( r o u g h e n s si n d u c e dc r a c kc l o s u r e ) ( c ) 氧化物诱发裂纹闭合( o x i d ei n d u c e dc r a c kc l o s u r e ) 图2 6 疲劳裂纹闭合示意图 f i g2 6d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f f a t i g u ec r a c kc l o s u r e 1 、塑性诱发裂纹闭合 e l b e r 认为，在疲劳裂纹项端的后部存在一个残余延伸变形区，它使得裂纹的张丌 位移减小，因而也使裂纹面之间提前接触，疲劳裂纹扩展表现为驱动力下降。 2 、粗糙度诱发裂纹闭合 如图所示，当裂纹表面的高低不平度与裂纹张开位移接近，尤其是儿型位移占主要 成分时，裂纹面也会相互贴合。这种现象主要出现在应力强度因子较小的情况下，此时 裂纹尖端最大的塑性区尺寸小于微观结构的尺度。在这种情况下，裂纹扩展通过单一的 剪切机制进行，其位移是i 型和i i 型的混合形式，裂纹断面呈现锯齿状。 3 、氧化物诱发裂纹闭合 当疲劳裂纹在潮湿的环境( 包括试验室空气) 中扩展时，裂纹表面的腐蚀产物沉积在 裂纹尖端附近的表面上，厚度接近裂纹尖端的张开位移，因此，使得裂纹尖端处产生闭 合。在循环应力作用下，强烈的i i 型位移以及塑性和粗糙度诱发的闭合使得裂纹表面的 氧化膜破裂而环境侵蚀又使其新鲜金属表面迅速度再度氧化。这样个连续的破碎和再 1 6 大连理工大学硕士学位论文 生的过程使得腐蚀产物堆积在裂纹的缝隙之间，它们的厚度大约是暴露在空气中的相同 金属表面氧化膜厚度的2 0 4 0 倍，和粗糙度诱发裂纹闭合一样，他主要表现在较低的 应力强度因子范围内，且闭合程度与裂纹的长度尺寸有关。 2 4 高温疲劳短裂纹的萌生扩展 由于晶界与邻近晶体问的不匹配而成为高缺陷集中处，为氧化冲击和丌裂提供了最 快的扩散路径 2 6 2 7 ，2 8 ，同时由于晶界也是应力集中部位，可产生较高的局部应力和塑 性各向异性。而且高温可促进晶界滑动，一旦高温下塑性变形促使晶界滑移聚集，它将 促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长 1 9 ，2 7 。所以高 温下通常形成沿晶裂纹，它们是晶界孔洞的集结、成长，以及三重点，1 ：裂所引起的晶界 损伤。 高温疲劳裂纹形式与试验条件有关，不同的试验条件可能出现不同的断裂形式，除 了上面介绍的沿晶裂纹外，还有穿晶裂纹、或者沿晶一穿晶混合裂纹 2 9 1 。一些研究表 明，某些材料的高温低周疲劳和异相热疲劳的主要破坏因素是氧化产生的穿晶裂纹集结 和