（材料加工工程专业论文）纯净超低碳马氏体不锈钢材料的疲劳性能研究.pdf

提要 纯净超低碳马氏体不锈钢材料的疲劳性能研究 摘要 水轮机用铸钢材料经历了几十年的发展，其综合性能已得到很大幅度的提高， 但随着大型水轮机组的发展和对设备轻量化的重视，对材料的强度提出了更高的 要求，高屈强比材料就是为了适应这种需求发展起来的。高屈强比低碳马氏体不 锈钢是水轮机用材料发展的一个新钢种，是在普通纯净水轮机用钢 z 0 0 c r l 3 n i 4 m o 基础上发展起来的。它采用特殊的热处理工艺，获得了强度和硬 度提高，而塑韧性基本不变的力学性能，另外，其屈服强度和抗拉强度之比大于 0 8 ，高于普通水轮机用铸钢材料的o 7 的要求，符合设备轻量化的发展趋势。但 是，以前使用的水轮机材料在使用过程中的疲劳裂纹的问题始终没有得到很好的 解决，为了了解高屈强比材料的疲劳特性和促进高屈强比材料的发展和工程化应 用，因此对高屈强比材料的疲劳性能进行研究也就很有必要。本文系统地对高屈 强比材料的疲劳性能和疲劳机理进行了研究，主要的内容和创新点有： 首先，对高屈强比材料的组织结构和相含量进行了分析。测定出材料的组织为 单相板条马氏体组织，在获得高屈强比性能的热处理工艺下，回火板条马氏体的 形貌与正火状态下获得的淬火马氏体基本相同，同样具有很高的位错密度。 其次，本文系统地对材料的疲劳性能进行了测试。在试验过程中分别对材料的 疲劳极限、裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展门槛值以及材料的p s n 寿命曲线进行 了分析和处理。在对数据处理后发现，高屈强比材料的疲劳极限高于普通纯净材 料，高屈强比材料的门槛值低于普通纯净材料，裂纹扩展速率要高于普通纯净材 料。另外在对p s n 寿命曲线分析时发现，在平均应力为4 0 0 m p a ，应力集中系数 等于2 5 时，高屈强比材料在规定寿命下的应力幅度值小于普通纯净材料。 再次，对高屈强比材料在不同环境下的疲劳性能指标也进行了分析，发现在模 拟长江水介质中的疲劳极限要低于空气环境，在空气中的数值比在模拟长江水环 境获得的数值高出2 0 以上，而在水下环境中的门槛值却高于空气环境，裂纹扩 展速率受环境的影响较小，在不同介质中的数值基本相同。 一t 一 机械 学研究院沈阳铸造研究所硕士研究擞学位论定 最后，对高屈强比材料的裂纹扩展机理进行了分析探讨。分别慰组织结构和 稠组成对疲劳往能的影响进行分析。本文认为，在不同的阶段，起作用的主要机 制不霹，褰屡强毙榜辩戆疲劳搜毙是誊| 糕组织缕稳零器耪裂纹溺会撬裁共爨锋雳 的结果 关键试：水轮机用钢、裹屡强比枣| 辩、低碳板条马氏体、疲势性戆、裂 纹闭合机制 i i f a t i g u ep r o p e r t i e so ft h em a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l w i t hu l t r a 。”l o wc a r b o na n dh i g hc l e a n l i n e s s a b s t r a c t w i t hs e v e r o ad e c a d e s d e v e l o p m e n to fs t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l sf o rh y d r a u l i c t u r b i n e ，t h e i rc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d b u tw a t e r t u r b i n eu n i ti sc u r r e n t l yb e i n gd e v e l o p e dt o w a r d sl a r g e - s c a l ea n dw e i g h ts a v i n g s ， w h i c hr e q u i r e sh i g h e rs t r e n g t ha n dh i g h e ry i e l d - t e n s i l er a t i oo fs t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l s t om e e tt h en e e do ft h i sn e wt r e n d - t h en e w l yd e v e l o p e dh i g hy i e l d - t e n s i l er a t i ol o w c a r b o nm a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hw a sp r o d u c e db a s e do nt r a d i t i o n a lc l e a n c a s t i n gs t a i n l e s ss t e e l 一- a s t m c a 6 n m ( z g 0 6 c r l 3 n i 4 m o ) ，h a dg o ti n c r e a s i n gi ni t s s t r e n g t ha n dh a r d n e s sw h i l en od e c r e a s i n gi ni t st o u g h n e s sa n dp l a s t i c i t yb ys p e c i a l h e a t t r e a t m e n tp r o c e s s i n g a n di t sr a t i oo fy i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hw a s0 8 o ro v e rh i g h e rt h a ni t 担c o u n t e rv a l u e0 7o ft r a d i t i o n a lp u r i t ys t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l s s oi tw a sf i t t i n gt h a tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fw e i g h tr e d u c t i o n f a t i g u ec r a c ko f l a r g e s g a l eh y d r a u l i ct u r b i n eh a s n tb e e ns o l v e dw e l li nt h ew o r l d w i d e 。f o rp r o m o t i o n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h eh i g hy i e l d - t e n s i l er a t i os t a i n l e s ss t e e l ，f a t i g u ep r o p e r t i e s a n df a t i g u em e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e d m a i nc o n c l u s i o na n dc r e a t i v ew o r ka r eg i v e ni nt h ef o l l o w i n g ： t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s ec o n s t i t u e n to nt h eh i 【g hy i e l d - t e n s i l er a t i os t a i n l e s s s t e e lw e r ea n a l y z e d s i n g l e - p h a s el a t hm a r t e n s i t i cm i c r o s t r u c t u r ew a so b s e r v e d s o m ef a t i g u ep r o p e r t i e so nt h eh i g hy i e l d - t e n s i l er a t i os t a i n l e s ss t e e lw e r e s y s t e m a t i c a l l yt e s t e di n c l u d i n gf a t i g u es t r e n g t h ，f a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e ，f a t i g u e c r a c kp r o p a g a t i o nt h r e s h o l da n dp - s - nc u r v e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u e s t r e n g t ho ft h eh i g hy i e l d - t e n s i l er a t i os t a i n l e s ss t e e lw a sh i g h e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a l p u r i t ys t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l s ，a n dt h ep r o p e r t i e so nt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e ， f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n t h r e s h o l da n dp - s nc u r v e sw e r eal i t t l el o w e rt h a nt h o s eo f i i i 墨堡塾兰鉴塞堕鎏篓整鎏翌塞墨堡圭矍塞圭堂垡鎏窒 t r a d i t i o n a lp u r i t ys t a i n i e s ss t e e lm a t e r i a l sb u th i g h e rt h a nt h o s eo f a s t m c a 6 n m f i n a l l y , t h ef a t i g u em e c h a n i s mo ft h eh i g hy i e l d - t e n s i l er a t i os t a i n l e s ss t e e lw a s d i f f e r e n to nt h ed i f f e r e n ts t a g e so fc r a c kg e n e r a t i o n t h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h eh i g h y i e l d t e n s i l er a t i os t a i n l e s ss t e e lw e r ed e t e r m i n e db ym i c r o s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a la n d i t sc r a c kc l o s u r em e c h a n i s m k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l 、h i g hy i e l d t e n s i l e r a t i om a t e r i a l 、l o w c a r b o nl a t hm a r t e n s i t e 、f a t i g u ep r o p e r t i e s 、c r a c kc l o s u r em e c h a n i s m i ￥一 撬辕科学研究貌淀阳铸滚醑究耩壤圭醑究垒学位论文 4 ， 茸 岛 撬 a 嚣 腽 f g g d a d n 符号清单 材料伸长率 材料的冲击功 裂纹长度 拐始裂纹筏度 l 瓷器裂纹长度 袭绞扩曩蠢 三点弯越试榉厚度 初始韧带尺寸 p a r i s 公式中的材料常数 p a r i s 公式中的材料常数 p a r i s 公式中的材料常数 裂纹扩展速率 友彩幻影扩鹩糖关蓠子 h b s k 耪瓣懿毒氏硬度 应力强度因予 k m i n最小应力强度因子 k s a x最大应力强度因子 应力强度因子范围 v i i i 符号潦单 _ 虑力比r = o 时的疲劳裂纹扩展门槛值 疲劳凝纹扩袋门槛值 p a r i s 公式中黪毒孝辩器数 裂纹萌生寿命 裂纹扩展寿命 甏绞惑寿命 枣活攀隽5 0 时懿疲劳寿命 存活攀为9 5 时的疲劳寿命 最小载荷 簸大戴蓿 载麓茬 陂力比 拉伸强度 矮腋强度 裂纹翦沿塑性变形送半径 断面收缩率 疲劳极限 有效滕黢强震 橼准差 一l x 一 雠 撼 露 腿 以 辨 躲 脲 t 囊 融 妒 厅 尼 再 z 钆 s 熟楚壁堂璧塞堕鲨里整撼嫩塞堑堡主要塞生堂焦鲨苎 掭图清单 黧1 。1 ，短袭绞豹羚炎 网1 2 长短疲劳裂纹农载荷和载荷比恒定条件下的典型扩展行为 图】3 恒幅疲劳袋纹扩展阻滞枕制的承意瀚 鬻1 。4 + 失事的a l o h a 飞机 湖1 。5 e s s o m a n h a t t a n 号轮船断裂 爨l 。6 转轮跨冀髑逡癍力努纛秘裂纹努蠢 瀚1 。7 辘流斌奸笄裂纹分布承意圈 隔1 。8 混流式砖片裂纹分布承懑图 圈1 。1 3 - 4 钢正火嚣经过攀霹激度圈火盼力学性髓 嘲2 。l 标准必滑榉菇裂绞萌生和扩炭过耩对疲劳总寿翕静影构 图1 2 2 。几种材料的疲劳极限曲线圈 巍2 。3 。旋转弯藏疲努试榉 圈2 4 旋转弯曲试样援力瀚 鼹2 。5 升降法零慧阁 溅2 。6 ，。黪逶缝潦糖辩在燮气条传下魏疲劳援羧羧撵烫 圈2 。7 普通纯净材料在模拟长江水环境下豹疲劳极限数据黧 圈2 ，8 高属强比不锈锈在空气祭件下的疲劳极限数据阑 溺2 。9 褰矮强魄琴锈镄在摸援长逡零嚣壤下戆疲劳觳袋数爨黧 一x 一 一一一。 堡璺塑璺 豳3 1 。门槛值的近似 鬻3 2 三点弯曲试样和加簸示意阔 匿3 。3 m t s 8 1 0 疲劳试籍梳 图3 4 兰点弯躲试撵安装苯意圈 图3 5 高屈强比材料的拟合曲线( 模拟长江水环境) 瑟4 1 裂纹稳态扩展不同区段的图示说明 圈4 。2 各秘王程会龛在塞遗失气孛熬霜槛傻涟载蘅毙嚣交纯静范鬻 图4 3 门槛应力强度因子幅馕随裁苟比变化驰示意熙 图4 4 裂纹尖端交替钝化和锐化过程模型 罄4 。5 疲劳辉纹形成的徽孔连续模燮 图4 。6 褰屡强览榜料在空气孛熬裂绂扩震速率试验结浆 图4 7 。离屈强比材料在模拟长江水中。的裂纹扩展速率试验结果 图4 8 普通纯净材料在空气中的裂纹扩展试验结果 圈4 9 一营遴纯净材辩程模拟长江永中的裂绞扩展试验绪采 圈4 1 0 彗逶绒净犍辩在攀圈环境豹裂绞扩晟速率 图4 1 1 。高斌强比材料不同环境的裂纹扩展速率 图4 1 2 不同材料在空气囊温环境下的裂纹扩展速率对比 图4 1 3 不嗣材料在模掾长江永环境下的裂纹扩展遮率对玩 匿5 。1 ，s - n 裁线罄 一x l 一垫堡熬堂堑塞蹩婆塑塑垫堡塞堑堡圭受塞垄鲎堡鎏塞 凝5 。2 。：。p - s - n 錾绫蛰 嬲5 。3 一，。加载试撵圈 豳5 。4 。高屈强比材料在平均应力为4 0 0 m p a 时的p - s n 曲线 圈5 5 一普通纯净材料在平均应力为4 0 0 m p a 时的p - s n 曲线 圈5 6 平均威力为4 0 0 m p a 时的两种工艺袋件下的p - s - n 曲线对比图 豳6 。1 高桶强比不锈钢材料的衍射图 阑6 2 ? 普通纯净不锈钢材料的衍射图 黧6 。3 芷火缀织 嬲6 。4 一。衰嚣强魄撵糕豹霾灭缀绫 阁6 。5 。普逶纯净材辩的回火缎织 圈6 6 + 离屈强比材料马氏体缀织 圈6 7 一普通纯净材料码氏体缎织 圈6 8 马氏体透射照片 豳6 9 滑移带的侵入和挤出示愆图 圈6 1 0 旋转弯馥试样翡新口 鬻s 。1 1 一，疲劳裂绞扩震形貌 黧6 。1 2 。一。裂绞扩震鼹径 燃6 。1 3 。裂纹扩展躞径 豳6 1 3 三点弯曲试样断口形貌 一x i i 撬窝溥萃 胬6 1 4 高属强比材料的门槛值区形貌 罄6 。1 5 普通纯净材科的门槛德区形貌 图6 。1 6 。鼹秘缀织状态斡裂纹扩袋逮褰形貌爨 图6 1 7 。普通纯净材料的疲劳烬纹 图6 1 8 高屈强比材料的疲劳辉纹 图6 ，1 9 高屈强院毒手料的显徽物理模羹 圈6 。2 0 一。裂绞扩展走淘( 裂纹扶袁侧两左雠扩震) 图6 2 1 裂纹扩展模型 闰6 2 2 普道纯净材料裂纹扩展形式 图6 2 3 。高瘸强既零季料的襞绞扩震形式 一x i l i 税攘搴幸学研究院沈阳铸造研究掰硕士研究生学位埝文 插表清单 袭1 1 凿内矫部分嘏站的裂纹豳现情况 袭1 2 ，。水轮枧材寰毒煞痰劳搜缝数撂 袭1 3 。不同处理正艺的材料的力学性熊 袭1 4 试验材料的化学成分 表2 。l 试样憝理置艺和试验环境 表2 2 。模拟长泼瘩配方 袭2 3 一。：疲劳极限实骏数据处理结果 表3 1 设备自动测定的数据值 袭3 2 在l 1 0 。m m c y e l e 范围内斡数弦 袭3 + 3 。数摄擞会竣求褥的门擞璧结果 袭3 4 一简易法求得的门槛值结果 表3 5 不同方法的门槛值结果 袭4 1 。三个疲劳裂纹扩震区段的特锰 袭4 。2 一。裂纹扩疑速率拟合结果 表5 1 一高屈强比材料在平均应力为4 0 0 m p a 时的试验结果 表5 2 普通纯净材料在平均应力为4 0 0 m p a 时的试验结果 袭6 1 不露韦孝料翡显徽嫒度数撵( 珏v o 2 ) 表6 。2 。铡中杂质元素单位控划水乎发展趋势 独创性声明 本久声明所曼交豹学位论文怒本人在导筛指导下进行的研究工作及取得的研究成 采a 赭我所知，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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 媳越挝堂盟巍堕一或其他教商机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同患对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 惫、吞莓 签字日期：。，年6 月弓d 闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越疆堂殛究院有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扭域登堂受塞隧可以将学位论文的全部或部分内容编入商关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描筹复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密戆学位论文在瓣密后遥耀本援投书) 学位论文作者签名：匙矗本 导师签名 麦 签字同期：o 口r 年6 月0 0f i 签字圈期：年月同 第一苹绪论 l 绪论 1 1 疲劳研究的历史与现状 1 1 1 疲劳研究历史的简要回颁 疲蒡破坏在机械零件和工程构件中大爨存在，疲劳破坏是鑫属挂料的_ 燕要失 效形式之一，豳北“疲劳”一词褒工程上广泛使用，其生要雳乎表达材料在德嚣 载饕搀翔下的拨密蓍鞋破坏，僵帮没有鹱确垂冬定义。意到1 9 6 4 年，国际标准纯缀织 才对“疲劳”进行锈确定义，认为“盒属材料在应力或应交的反复作粥下所发生 的性能变化明疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性 能变化【1 l 。”但肘金属材料疲劳的研究可以追溯到西多年前。 在1 8 2 9 年，德国矿业工稳师w a ，j 。a l b e r t 对铁链进孬了重笈载麓实验，嚣始 丁金属疲劳研究鲍历史【2 l 。1 8 3 9 零，法国久j v p o n c e l e t 蔷先采愿“疲势”来摇述 材料在爱复载赘下抟缩擒破坏【矾。1 8 5 4 年，f b r a i t h w a i t e 首次把疲劳一词专门用来 袭述金糯在载赫的反复作丽下的开袭现象，并用于论文中嘲。在1 8 6 0 年，有“疲 劳试验乏父”乏称的德国人a w o h l e r 提出了利用应力幅一寿命( s - n ) 曲线来描 述疲劳行为的方法，并且提出了疲劳“耐久极限”的概念【5 1 。在1 8 7 4 年，德国工 程师h g e r b e r 开始研究疲劳设计方法，提出考虑平均应力影响熬疲劳寿会计葵方 法嘲。j g o o d m a n 也对平均癍力静作瘸避露了磅究，撵出了著名静籀纯凿线，建立 了平均馥力影确图j ；3 。o d m a n 鼙朝。1 8 8 6 年，j b a u s c h i n g e r 夸| 入了寂力一应变 滞后回线的概忿，确认了循环成交软化和循环应变硬他的出现礴l 。 2 0 世纪初，金相显微镜在疲势机制中得到应用。j a e w i n g 和r o s e n h a i n ，以 及j 。a e w i n g 和j c w h u m f r e g 指出滑移带在疲劳形变的过程中逐激变宽，羚导致 形成裂纹，藤试榉魍破甥是由某条主搏裂纹囱兹扩展造戏的。燃对糖出潺移带与 试群光涝表覆翱交形残了离出表瑟耧燕入表甏豹灌移台阶，鞠“挤赉”麓“侵入” 疆“。1 9 1 0 年，o h b a s q u i n 撬出了描述金满s n 曲线的经验兢律，认为_ 暾力对 疲劳循环数的双对数图在很大藏围内表现为线性关系1 。1 9 2 6 年，英国入 h j g o u g h 在研究疲劳机制和多轴应力状态下疲劳现壤的基础上，写如了第一本关 于金属材料疲劳的专藿一一衾属的疲劳 1 2 1 。t 9 2 0 年，a 。a g r i f f i t h 发表了关于 脆瞧材料凝裂数理论帮试骏结暴，姥瑗论试墅解释实际耪瑾论强度_ 乏溜豹蹩大灌 一l 一 垫堇壁堂婴窒堕婆里矍熏堡茎堕堡主堡塞生堂垡堕塞 异。他发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹的长度，即s ：= 常数( 其中s 表示 断裂时的名义应力，口为断裂时的裂纹长度) 。g r i f f i t h 理论的出现标志着断裂力学的 开端“”川1 9 4 5 年，美国人m a m i n e r 在p a l m g r e n 研究的基础上，提出了线性积 累损伤法则，用公式表达出线性累积损伤理论【1 5 j 。在1 9 5 4 年，s s m a n s o n 和 ：l f c o f f i n 提出了表达塑性应交和疲劳寿命之间关系的m a n s o n c o f f i n 方程，建立 了塑性应变造成损伤的理论“”。 2 0 世纪5 0 年代以后，由于光学显微术和电子显微术的进步，对循环形变和 疲劳裂纹萌生机制的了解取得了长足的进步。1 9 5 1 年，z a p p f e 和w o r d e n 在疲劳 断口上首次发现了疲劳辉纹【l s l 。t h o m p s o n 、w a d s w o r t h 和l o u a t 于1 9 5 6 年发现了 “驻留滑移带”( p s b ) 1 9 a1 9 6 0 年，f o r s y t h 和r y d e r 首次给出了相邻辉纹间距 与疲劳裂纹扩展速率之间的关系【2 们。在1 9 6 1 年，f o r s y t h 发表论文“疲劳裂纹扩 展过程的两个阶段”。在文中，他把疲劳过程分为两个阶段，第一阶段是晶体学的， 由剪切应力控制的滑移过程。第二阶段是裂纹扩展，裂纹垂直于整体的最大主应 力方向，在随后的断裂表面上产生所谓的辉纹特征o ”2 ”。 2 0 世纪6 0 年代以后，人们开始将统计学应用于疲劳试验和疲劳设计。1 9 6 3 年，美国材料试验学会( a s t m ) 的e 9 疲劳委员会发表了疲劳试验与疲劳数据 的统计分析指南一书【2 引。同年，美国人p c p a r i s 提出了表达裂纹扩展规律的著 名关系式一一p a r i s 公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿命的新方法，在 此基础上发展出了损伤容限设计法，从而使断裂力学和疲劳研究逐渐结合起来， 用应力强度因子k 来描述疲劳裂纹的扩展【2 钔。e l b e r ( 1 9 7 0 、1 9 7 1 年) 观察到在负 荷大于零时疲劳裂纹闭合的出人意料之外的结果，即在从零到拉应力的加载过程 中，正在扩展的疲劳裂纹在高于零的某一载荷时竟然是闭合的。其工作集中在研 究疲劳断裂过程中的预塑性形变对裂纹闭合的影响，即“塑性诱发裂纹闭合”“5 4 。 1 9 8 2 年，s u r e s h 也对腐蚀产物引起的闭合和裂纹表面形貌( 粗糙度) 引起的闭合 进行了研究“”1 。1 9 7 2 年，e n d o 等针对流体对疲劳寿命的影响进行了研究，认为 粘滞流体会诱发裂纹的闭合【2 9 1 。当疲劳裂纹顶端的相组成不同时，在应力的作用 下可能会发生相交，导致裂纹扩展速率下降。这种相变降低裂纹扩展速率的现象 称为相变诱导塑性效应( t r i p ) 。其特点是裂纹顶端的相变使相变区体积净增加， 一2 一 第一章绪论 当相变区膨胀出来的材料滞留在扩展疲劳裂纹顶端后部时，就会引起裂纹张开位 移的净减少。已有的试验结果说明，相变诱发闭合是由于发生相变所促成的，相 的变化使相变区体积膨胀( 在铁台金中，马氏体相变可使体积膨胀大约4 ) ，存 在亚稳定的相对裂纹闭合有促进作用。 1 1 2 疲劳研究的新进展 近几十年来，随着裂纹检测技术的进步，检测精度的提高，人们对短裂纹的 扩展规律开始研究。1 9 8 4 年，s u r e s h 和r i t c h i e 对短裂纹大致做了如下分类【3 0 1 ： ( 1 ) 显微组织小裂纹：裂纹尺寸与显微组织的特征尺寸相当；这里的显微组织 的特征尺寸包括单一材料中的晶粒尺寸或颗粒增强复合材料中的颗粒间距等。 ( 2 ) 力学小裂纹：光滑试样中近顶端塑性区尺寸与裂纹尺寸可比的裂纹，或者包 含在缺口塑性应变场内的疲劳裂纹。 ( 3 ) 物理小裂纹：裂纹尺寸明显超过最微组织的特征尺寸或局部塑性区尺寸，只 是从物理上讲属于“小”的范畴。这种裂纹的长度一般小于1 2 r a m 。 ( 4 ) 化学小裂纹：某些裂纹在名义上服从弹性断裂力学分析，但由于环境引起的 应力腐蚀效应，当裂纹小于一定尺寸，裂纹扩展速率也会表现出明显的异常行为； 因而有时把这些裂纹叫做化学小裂纹。 在实验中发现，上述各种裂纹经常以连续介质力学参量或断裂力学参量无法确 切描述的速率向前扩展。由于材料具有不同的临界尺度，当疲劳裂纹的尺度小于 这些临界尺度时，其扩展速率与裂纹尺寸有关。小裂纹的存在会造成裂纹扩展速 率之间的差异和适用的研究方法和模型的不同，见图1 1 t 3 1 1 和图1 2 l l 】。 一般来说，短裂纹的疲劳扩展具有以下特征【3 l 】。 ( 1 ) 短裂纹的疲劳扩展门槛值比长裂纹的疲劳扩展门槛值低，但扩展速率往往高 于长裂纹； ( 2 ) 在较低的载荷水平下可以看出非扩展裂纹( n p c ) 。 另外，人们对于疲劳裂纹的微观阻滞机制产生了浓厚的兴趣，进行了更深入的 研究。疲劳裂纹的闭合最初由a l b e r 发现，即在远场载荷为拉伸载荷，疲劳裂纹 也能闭合。s u r e s h 和r i t c h i e 等人根据自己的研究结果和其他研究人员的工作，把 曲力学、显微缎织和环境诸多因素引入的各种形式的裂纹闭合进行了分类，除了 一3 一 一 童；篓登璺堑壅墼达堕壁垄塑塞匝堡圭堑壅当堂垡鎏茎 缨豢梭 1 4 。栅 毯品 衔骝水裂纹岫一 ? c t 3 z 睨灶_ ； 蠖 裂锭 奔学蘸鞭璃x 瓣 l 建t | 咎m 1 i c j 蠢款籀5 蠢 1 。j l 。1 。上一 薅生，脚a 澎 j 0 0耀嬲p 袭筒饕缱长度? f m j z 鼍 寻 鲎 謦l 。l 短裂纹的分类 毅坟长整，藏) l 鬟矗式 图1 2 长短疲劳裂纹禚载荷和载荷比保持恒定条件下的典型扩展行为 塑性诱发裂纹闭合外，其他的裂纹闭会源有：在疲劳裂纹内部形成的嶷蚀屡( 氧 化物诱发熬裂纹翔会) # 疲劳凝裂嚣浆显徽壤糙( 装绞溪糕犍诱发耱裂纹蠲各 ； 渗入袋绞肉煞粘健流体( 粘往流体诱发的裂纹闭合) ；瘦力簸应交诱发盼裂纹 一4 一 耀 瑷然 己 塑二童缝望 顶端棚变( 提交诱发的裂纹闭合) ，懂摄疲势裂纹扩展阻滞枫刳的霹意图照嚣1 3 f i l 。 下面分别对备种裂纹闭合机制作简簧介绍。 翻羽 蝴气势支致。、豫区r 汹颦毪诱敬辩袭装掰套 = 彭矿 氧化暂瘦 辩i 匪毙萄诱嶷嚣袋整麓窘 ，辍姥瑗鬟翦裘袭嘲螽 襄 商r 一 旗性截蚌 c 。流体污冀的裴囊氍喜 渺撂变诲靛的裂靛鞯合 袋绞 障碍 袭蠡藕螽 瓣i 磐黎螫 加颗较黪鼗 糖蓑) 袈凌 图1 3 慨幅疲势裂纹扩展阻滞毫吃铡鲍示意匿 ( 1 ) 粗糙度诱母裂纹闭合 疲劳瑟裂表瑟鹫凸苓乎，镬薮裂表錾稳接簸点楚憨穗递受载，并使襞绞尖端蔫 方材料中所承受的威力强度幅值降低。 强断裂袭霭静鞭糙度尺寸与裂纹尖端张开位移为圈一数i 级6 ，口遥a 纹t i 面 口楔b 潞交错接触毋致了粮糙度诱发裂纹 i l 合。h 面日糙! 鞠a 型m 移口燎与r 移 可逆性的减少将强化这种闭合效应。r i t c h i e 和y u 3 2 提出裂纹尖端的屏蔽作用来 添予糨耱度诱蠡裂翅叠帮零藏是鑫骞裂纹骧转，峦于裁嚣骚爨罄戆致蠢 在裂纹尖端有效地减少了循环应力强度从而导致裂纹扩展速率下降和门槛值的提 高。这种类瀣懿霹蔽作用猩疲劳裂扩期提了个在韧梳翻。 ( 2 ) 塑性诱发裂纹 l l 念 一5 一 蝴髓x 4f撇f撇 机械科学研究院沈阳铸谶研究所砸士研究嫩学位论寓 ( 2 ) 塑性诱发裂纹耀含 裂纹尖端的塑性区随着裂纹的扩展而增大，在裂纹尖端尾都留下宥残余拉廒 变，因憩在拉转载棼下( 嚣不是自予零载蓑或篷缤载蔫下) ，使裂纹阙会。瑗在罄速 认为，在平面应力条件下发生塑性诱发裂纹闭合，而试样表面的应力状态接近平 瑟斑力的程度要太子按邋平面瘦交豹程度。这样，裂纹翦方静漫经基尺寸和袭尖 尾部的残拶塑性变形量教试样表灏最大。因此，可以预测这零孛最大裂纹耀会纛虚 在表面出现，所以在贯穿厚度的裂纹前沿中，往往是中部裂纹拖曳两侧的裂纹前 避，形成一凸出瓣弧线形捩，弧线鲮程痰与懿辩豹塑瞧变形毙宠考关。 另外，随着斌从门撒值范围增加到p a r i s 曲线的典毅中间区域时，氧化诱发 裂纹溺合和箍耱液诱发裂纹 l l 合麓蠢减痧，露黧性诱发裂纹蠲念占优势。 ( 3 ) 氧化物诱发裂纹闭合 当疲劳裂纹禚潮湿的环境中扩展时，裂纹表面的腐蚀产物沉积在裂纹尖端附近 懿表嚣上，厚度接近c t o d ，这样，当嶷力强度因子燕子罡。黠就促使裂纹尖濮 辟尖处产嫩闭合。 当送行应秀镶环对，由予强撩豹l l 懿位移鞠整往诱发裂纹阕台使瓴纯貘酸袈， 而环境侵蚀又使其不断产生，这样一个诲续的破裂和再生过程使腐蚀产物堆积在 裂纹缝隙志间。瓴纯膜的厚度可以用俄欹能谱仪作定蠹分析，也可以用超声波进 行测量。 在低栽荷比和近门槛扩展速率的情况下，潮湿的环境促使影成腐饿沉积物( 氧 豫懿) ，獒零度方寇黎必寸与裂绞张嚣辍移耦娄。含澄气戆嚣壤、毫瀵、低载蘅 比、低a k 水平、高循环频率以及低强魔和粗晶显微组织可促使氧化物诱发裂纹 麓合的发耀，茵为这些条件对予在断裂谣的凹凸不平怒发生微幼磨损翱摩擦是有 利的。 ( 4 ) 相交诱发裂纹闭台 久羹缀翠载诀识戮，疲劳裂纹矮溃懿糖交熬够降低裂绞扩篾速率熬瑗象，邃释 现象被称为相变诱导塑性效应( t r i p 效应) 。该效应的特征题。裂纹顶端的相变 使相交区的体积净增粕，当籀交隧膨胀出来豹奉孝辩滞聱在扩震疲劳裂纹顶端焉部 时，就会引起裂纹张开位移的净减少，从面导致疲劳裂纹提彭闭合。 一6 一 第一章绪论 p i n c a u 、p c l l o u x 和h o r n b o g e n “”“1 研究了溅稳奥踺体不锈锯申疲劳下的袈纹扩 展。他们指出。由应变诱发韵码氏体相变通常会使低脒水平成中等脒水平下的 爨绞扩袋速率繁降。裂纹扩震速率按藏稳类民髂、稳定类氏傣、昊孝撩霾黢分豹 马氏体魏微组织排列顺序而逐渐增大。 ( s ) 秸漳缝流律诱发裂绞闭合 1 9 3 5 年m a y 【1 1 认为，糙滞憷流体渗入裂纹，并在裂纹内成楔，从两加遮裂纹 扩展，始流体的粘性较低时，他们更易于渗入裂纹内，诱发裂纹闭合的效应也就 越明显。在一般壤提下，牯涝瞧浚俸诱发裂纹溺舍戆效应不魏狙犍澄戏氧纯貔琴| 起的裂纹闭合效应明显。 蘧蔷入稍瓣先进金藏材辩、菲金满毒于辩和菠舍材瓣豹疲劳阚题翁兴趣豹弱益增 长，在研究另外几种憾幅阻滞疲劳裂纹扩展机制方藤出现了个高潮。这烂机制 燕要包括：裂纹偏祈；裂纹桥联躐捕获 由微裂纹、银纹化和相交引起的 裂纹羼羧。 环境对材料疲劳性能的影响越来越得到黉视，外部的固态、液态和气恣介质 繇霹戆使工程幸芎瓣戆疲劳链鼗下海。靛致藐奔覆来讲，主要有瘩奔矮致藏、氢魏 和金属脆三个过程。 由承溶液引起的含金脆仡通常称为应力藕蚀开裂，该致脆过程童要包括两个 生要螅环境损伤机制，即阳擞溶解和熬脆。程循环加载的条 孛下，相对的龌裂纹 丽之间的微动接触、水介质被裂纹泵吸到裂纹顶端，以及裂纹顶端在交变载荷的 琴薮魏纯彝锐纯等因素对鞫掇溶解速度骞缀大彰确，嚣建锤环鼗芬摹曩应力波鍪毒攀 严重影响裂纹扩展速率。 由鼍二氨对材料力学往能造成的损伤称为氯脆。氯对金满断裂韵影响一般表现 为以下两种方戏；断裂的微观形式不变，儇断裂速度搬快了；断裂方式发生 变化，从通常的延性方式转交为脆性方式。 金灏蘧是攒其奏较褰熔点豹金弱每菜些低熔点众霾接皴游豹弱纯蓬程，其致 脆介质是液态众属。许多材料在致脆液态金属( 例如h g ) 中的疲劳裂纹萌生抗力 鞫疲劳凝纹扩袋抗力要院在永溶液或熬环境中低狠多。1 在液态金属环境孛，淆移 台阶和裂纹顶端吸附数脆金属原子可s l 起快速断裂。一般认为，吸附液悫众属可 一7 一 一一 塑塑烈堂堑塞魑达堕萱塑婴塞塑蹩主堑塞生兰焦垫塞 降低拉开原子所嚣的应力或会鞲低材辩慰塑性漉交的挽力。 低温环境工作的构件和设备，其疲势特性将会发生变化。巍金属材料所处的环 境豹漫凌降低瓣，它戆藤鼹强度灌褰，廷性纛羝裂裁镶下降。一般皋浇，褒嵩鳖 性应变和短寿命的条件下，材料疲劳特性由其延性控制，因此其短寿命疲劳阻力 麓温度酶低丽降低；在长寿命嚣，疲劳性鼹受强度指标控铡，故降低温度有可能 掇离材料发生破坏的循环数。材料在低温环境下的循环塑性较差，霹使疲劳裂纹 在低的a k 下不翁扩展，从而後门槛值有一定的提高。 另乡 ，毒聿等多搀馋薹终在藏瀑条l 串下，其疲劈特髹瞧发玺了交毪。一般谈来， 高温疲劳是由蠕变载荷、循环载荷和环境腐蚀拱同作用的结果。温度会影响材料 豹循环淆移特瞧，键覆缀话攀移和交辩移，导致皴或缀织结构失去稳定性，凝终 导致循环应力皮变特性发生明崴的变化。当温度处于熔点的l ，3 到2 3 之间时，诲 多纯金属、合金和陶瓷在低外加应力下就会由于产生晶界空穴而呈现蠕变变形。 农离温下，夹杂秘第二掇粒子譬震圈基揍鲍缝会力下晦，馒疲劳裂纹在亚表露容 易形核。随着温度的升搿材料的氧化倾向越明显，婚致氧化物的产生。从而影 蛹糖精懿疲劳 亍为。 1 i 3 疲劳设计方法 随着对疲劳认识的不断深入，在对承受疲劳载荷的构件进行设计时不仪器进 姆强度设计，藤且要强调疲劳设诗。憨寿命法襄损伤察限设诗法是瑷健最基零酶 骶种疲劳设计方法，在疲劳设计中被普遍应用。 经莛鹃疲莠设计方法是露缀嚣应力菠藿( s n 蘸线方法) 或瘦燹蓖鍪( e n ) 来描述导致破坏的总寿命。它悬通过控制应力幅或应变幅来获褥初始无裂 纹( 光清) 的试样产垒疲劳破坏所需的应力循环数或应变循蓐f = 数。其总寿命包括 萌生主裂纹的疲劳锤环数和主裂纹扩展至发生突然破坏的疲劳循琢数。其主要涉 及对裂纹萌生的阻力。根据使用寿命的不同，它又可分为无限寿命 鼗计法和有限 寿； 设诗法。 无限寿命设计法是煅早的疲劳设计方法，蕻要求构件在光限长的使用周期内 不破坏。它是穰据耪辩的s n 曲线的直线部分，考虑各种影嫡系数，要求构件 设计的名义应力低于s n 盐线的水平部分，即疲劳极限。咒限寿错设计的虚力 一r 一 第一犟绪论 承警较低，潋保涯无激寿命豹簧求，敬按i l ：设计翡疲劳构件较为保守、最得眈较 沉璧。 有阻寿命设计法是无限寿命设计法的直接改进与发展，其要求构件在规定的 使用期限内不破坏，故允许其工作应力超过疲劳极限。它是依搬s n 曲线的辫 线部分，并利用一定的累积损伤毽谂来售算秘传豹安全寿念。冀要求橡 孛褒舂凝 熬安垒搜建期蠹苓产生明驻( 藏霹捡) 豹疲势裂纹，舞戳裂绞萌生佟为寿命的终 结。遁箕未能考虑构伟肉客蕊存在豹各种缺陷，尚不能完全保证构件的安全 3 扪。 2 0 懒纪6 0 年彳弋以来，世界先进的航空、汽车制造业都逐步采用了有限寿命设计 思想【3 6 】。 损伤容限设计法是在断裂力学萋础上发展起来的，其基本裁提悬认必摄像是 一切王程擒锋翳露套熬，其损伤尺寸遴常耀无擐探饶技本来确定。鳃果薏撰试验 方法没蠢检测寤裂纹，褥盛在胃靠性梭验串毽不发生突然的破坏，羽稷据繇伤技 术的转辨率来估计最大( 采澜游) 原始裂纹尺寸。疲劳寿命定义为主裂纹从原始 尺寸扩展到菜一临界尺寸所需的疲劳循环数或时间。该方法主要涉及对疲劳裂纹 扩展的阻力。其认为只援正确估算其剩余寿命，采取适应的断裂控制措施，确保 枣每传在馒用期限内能安全使用，那么这一暇始尺寸故裂纹是可以允诲靛。实躲上， 大多数拽馋一歼始裁含蠢裂纹戏类裂纹等姣陷，鳐毒季料内部瓣夹杂搦及铸造、缂 穰、熬处理、密削等冷热加工裂纹，氆可戳谈为损伤容限设计是保证这蓬蔷有的 或后生韵裂纹在设计寿命内( 或在两次检测周期之间) 不至予扩展到失效。2 0 世 纪7 0 年代盾期。美国的飞机设计最先尝试了损伤容限设计法，随着断裂力学在疲 势领域内的皮用与发展，该设计方法越来越为工程界所接受【3 6 。但损伤察限设计 法没有考虑裂纹萌生躲海食，褥星视始裂纹形态鄹尺寸受橡传剁逡工艺、捡溅等 段和农平静影酶，褒应粥串氇迸裂了一定豹困难。 2 0 落纪8 0 年代，为了对戳上两种设计方法进行补充和完善，美国航空航天 工稷师提出了莆| 久性设计，其是建立在有限寿命设计基础上，吸收了损伤容限设 计的优点，引入经济维修概念，并利用概率方法估算构件的使用寿命和维修周期 的一秘先进的练合疲劳设计方法i ”l 。 1 1 。4 疲势攫终熬特点 一9 一 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生学位论文 疲劳损伤是受到交变应力作用的绐果，其行为与静载下的损伤行为具有较大差 异，具有明显的疲劳断裂特征，主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 失效应力低。疲劳损伤是应力长期反复作用下产生的破坏，构件所受的 最大应力小于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服强度。如果按静载强度校核 构件是安全的，但对于疲劳设计来说，在该应力下经过一段时间后发生破坏。 ( 2 ) 疲劳损伤没有显著塑性变形的迹象。无论在静载条件下表现为韧性或脆 性的材料，在载循环应力作用下，一律表现为外观无明显的塑性变形的突然脆性 断裂。 ( 3 ) 试验数据分散性较大。材料的疲劳性能具有统计性质，材料的组成，构 件的形状、尺寸、表面状态，使用环境等因素对疲劳损伤都十分敏感。在同一种 材料、相同试验条件下得到的数据具有相当的分散性。 ( 4 ) 疲劳损伤断口与静载断口不一致。宏观疲劳断口一般明显分为两个区域， 即疲劳区和最后断裂区( 静断区) 。疲劳区以光亮的带有“贝纹”状或“沙滩”状 痕迹为特征：最后断裂区对于塑性材料则呈暗灰色的纤维状：对于脆