疲劳与断裂结课小结

1、金属疲劳与断裂学习报告院（系）：材料科学与工程学院专业班级：研1308学生姓名：王红伟指导教师：周勇完成日期：2014年5月25日1绪论疲劳（Fatigue）W断裂（Fracture）ll引起工程结构和构件失效的最主要的原因。在面向21世纪的今天，人们对传统强度（静载荷作用、无缺陷材料的强度）的认识已相当深刻，工程中强度设计的实践经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增强。因此，疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。19世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面积累了丰富

2、的知识。20世纪50年代断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。疲劳断裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成与扩展，涉及到使用环境的影响等等，问题的复杂性是显而易见的。因此，疲劳断裂的许多问题的认识和根本解决，还有待于进一步深入的研究。尽管如此，了解现代研究成果，掌握疲劳与断裂的基本概念、规律和方法，对于广大工程技术在实践中成功地进行抗疲劳断裂设计无疑是十分有益的。发生断裂是因为有裂纹存在，而裂纹萌生并扩展到足以引起断裂的原因则很少不是由于疲劳。如二次大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂，200余艘发生严重断裂破坏。1952年，第一架喷气式客机

3、（英国的慧星号）在试飞300多小时后投入使用。1954年元月一次检修后的第四天，飞行中突然失事坠入地中海。打捞起残骸并进行研究后的结论认为，事故是由压力舱的疲劳破坏引起的，疲劳裂纹起源于机身开口拐角处。1967年12月15日，美国西弗吉尼亚PointPleasan桥突然毁坏，46人死亡，事故是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起的。1980年3月27日下午6时半，英国北海Ekofisk油田的AlexanderL.Kielland号钻井平台倾复，127人落水只救起89人。事故分析表明，裂纹由325mm的撑管与支腿连接的焊缝处起始，在疲劳载荷（主要是波浪力）的作用下，扩展

4、100多毫米后发生断裂，导致平台倾复的事故。80年代初，美国众议院科技委员会委托国家标准局进行了一次关于断裂所造成的损失的大型综合调查。198孙，在“国际断裂”杂志（Int.J.Fracture,VOl.23,No.3,1983.译文见力学进展”，No.2,1985）上发表了调查委员会给国会的报告。报告指出，断裂使美国一年损失1190乙美元，占1982年国家总产值的4%。遭受损失最严重的三个行业是：车辆业（125亿/年），建筑业（100亿/年），航空工业（67亿/年）。值得注意的是报告还指出，向工程技术人员普及关于断裂的基本概念和知识，可减少损失29%（345亿/年），应用现有成果，可减少损失

5、24%（285亿）。因此，向工程技术人员普及关于断裂和疲劳的基本概念，是十分必要的。1984年国际疲劳杂志(Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1)发表的国际民航组织(ICAO)涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出：80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，平均每年100次。20世纪的最后十年，尽管安全水平有了进一步提高，但世界民航每年发生重大死亡的飞行事故次数仍在48-57次之间。1999年，发生飞行死亡事故次数为48起，事故死亡人数为730人。工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50-90%,是机械、结构失效的最常见形式。因此，工程技术人员必须认真考虑可能

6、的疲劳断裂问题。2疲劳机理2.1疲劳定义及特点人们认识和研究疲劳问题，已经有150年的历史。在不懈地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中，对疲劳的认识不断地得到修正和深化。美国试验与材料协会(ASTM)在疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义"(ASTME206-72)中所作的定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。其定义具有以下特点：1)只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。所谓扰动应力，是指随时间变化的应力。更一般地，也可称之为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。如图2-1

7、所示，载荷随使用时间的变化可以是有规则的。也可以是不规则的，甚至是随机的。如当弯矩不变时，旋转弯曲轴中某点的应力，是恒幅循环(或等幅循环)应力；起重行车吊钩分批吊起不同的重物，承受变幅循环的应力；车辆在不平的道路上行驶，弹簧等零构件承受的载荷是随机的。图2-1载荷谱描述载荷一时间变化关系的图或表，称为载荷谱。图2-1给出了应力随时间的变化，由应力给出的载荷谱称为应力谱，类似地，还有应变谱、位移谱、加速度谱等等。显然，在研究疲劳问题时，首先要研究载荷谱的描述与简化。最简单的循环载荷是恒幅应力循环载荷。图2-2所描述的是正弦型恒幅循环应力。显然，描述一个应力循环，至少需要二个量，如循环最大应力Sm

8、ax和最小应力Smino这二者是描述循环之应力水平的基本量。基于最大应力Smax和最小应力Smin,在疲劳分析中还用到以下参考量：应力变程（全幅）S定义为：S=SmaxSmin应力幅（半幅）S独义为：Sa-S/2-（Smax-Smin）/2平均应力Sm定义为：Sm=（Smax+Smin）/2应力比R定义为：R=Smin/Smax其中，应力比R反映了不同的循环特征，如当Smax=-Smin时，R=-1；是对称循环;Smin=0 时，R=0,是脉冲循环；Smax=Smin时，R=1,Sa=0,是静载荷。不同应力比下的循环应力SR=10t静载图2-22）疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部静载下的破坏

9、，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲劳的明显特点。零、构件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。因此，要注意细节设计，尽可能减小应力集中。疲劳研究所关心的正是这些由几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节，要研究这些细节处的应力应变。3）疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂足够多的扰动载荷作用之后，从高应力或高应变的局部开始，形成裂纹，称为裂纹起始（或裂纹萌生）。此后，在扰动载荷作用下，裂纹进一步扩展，直至到达临界尺寸而发生完全断裂。裂纹萌生一扩展一断裂三个阶段是疲劳破坏的又一特点。研究疲劳裂纹萌生和

10、扩展的机理及规律，是疲劳研究的主要任务。4）疲劳是一个发展过程由于扰动应力的作用，零、构件或结构一开始使用，就进入了疲劳的发展过程”。所谓裂纹萌生和扩展，是这一发展过程中不断形成的损伤累积的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的终结。这一发展过程所经历的时间或扰动载荷作用的次数，称为寿命”。它不仅取决于载荷水平，还依赖于其作用次数和/或时间，取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。疲劳研究的目的就是要预测寿命，因此，要研究寿命预测的方法。材料发生疲劳破坏，要经历裂纹起始或萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展（断裂）三个阶段，疲劳总寿命也由相应的部分组成。因为裂纹失稳扩展是快速扩展，对寿命的影响很小，在估算寿命时

11、通常不予考虑。故一般可将总寿命分为裂纹起始或萌生寿命与裂纹扩展寿命二部分，即Ntotal=Ninitiation+Npropagation进行裂纹起始寿命分析时，一般按应力一寿命或应变一寿命关系进行，称为传统疲劳；疲劳裂纹扩展寿命分析则必须考虑裂纹的存在，需用断裂力学方法研究，故称为断裂疲劳。完整的疲劳分析，既要研究裂纹的起始或萌生，也要研究裂纹的扩展，并应注意二部分寿命的衔接。但在某些情况下，也可能只需要考虑裂纹起始或扩展其中之一，并由此给出其寿命的估计。例如，高强脆性材料断裂韧性低，一出现裂纹就会引起破坏，裂纹扩展寿命很短；故对于由高强度材料制造的零构件，通常只需考虑其裂纹起始寿命，即Nt

12、=Nio延性材料构件有相当长的裂纹扩展寿命，则一般不宜忽略。而对于一些焊接、铸造的构件或结构，因为在制造过程中已不可避免地引入了裂纹或类裂纹缺陷，故可以忽略其裂纹起始寿命，取Nt=Np,即只需考虑其裂纹扩展寿命即可。2.2 疲劳断口特征疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个海M圾具便型的贝壳刃域海滩状提解特征,这稗1征给疲劳失效的鉴别工作带来

13、了极大的帮助。1、疲劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况

14、等。通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。2、疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。贝纹

15、花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂

16、纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹源成凹向弧线，说明裂纹沿表面扩展较内部快些，表示材料对缺口敏感，如高碳钢。贝纹线间距也有不同。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区则贝纹线较稀疏，表明裂纹扩展较快。疲劳裂纹扩展区在断口所占据的面积为最大，而贝纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及应力幅等。随着应力幅的降低或材料韧性较好时，则贝纹区较大，贝纹线细而明显；反之随着应力幅的提高或材料韧性较差，则贝纹区较小，贝纹线粗而不明显。当轴类机件拉压疲劳时，若表面无应力集中（无缺口），则裂纹因截面上应力均等而沿截面等速扩展，贝纹线呈一簇平行的圆弧线。若机

17、件表面存在应力集中（环形缺口），则因截面表层的应力比中间的高，裂纹沿表层的扩展快于中间区；高应力时，瞬断区面积相对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边及中间扩展差别不大，贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向半椭圆弧变化。当机件弯曲疲劳时，其表面应力最大，中心最小，其贝纹线变化与缺口机件的拉压疲劳相似，如表面又存在缺口造成应力集中，则其变化程度会更大。若机件为扭转疲劳时，其最大正应力和轴向呈45°角分布，最大切应力垂直或平行轴向分布，故疲劳断口有二类，一类为正断型，另一类为切断型。脆性材料常是正断型扭转疲劳，常见的有锯齿状断口及星形断口，呈纤维状，如花键轴的断口。切应力

18、引起的切断型疲劳断口，断面垂直或平行于轴线，此时不会出现贝纹线，有时扭转疲劳也会出现混合断裂。综上所述，应力集中影响贝纹线的形状，应力集中增大，相应的贝纹线较平坦；名义应力影响最终瞬断区的大小，名义应力增大，最终破断区的面积增加；应力状态主要影响疲劳源的位置和数量，双向弯曲，最小有两个疲劳源以及相应的扩展区，旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。止匕外，对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。这是由于裂纹扩展过程中，裂纹前沿的阻力不同，而发生扩展方面上的偏离，此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相交而形成台阶。一次疲劳台阶出现在疲劳源区，二次疲劳台阶出现在疲劳裂纹的扩展

19、区，它指明了裂纹的扩展方向，并与贝纹线相垂直，呈放射状射线。3、瞬时断裂区由于疲劳裂纹不断扩展，使零件或试样的有效断面逐渐减小，因此，应力不断增加。对塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬时断裂，当材料塑性很大时，断口呈纤维状，暗灰色；对脆性材料，当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸ac时，便发生瞬时断裂，断口呈结晶状。因此，瞬时断裂是一种静载断裂，它具有静载断裂的断口形貌，是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。与其他两个区相比，瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区。瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质

20、、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素，若应力较高或材料韧性较差，则瞬断区面积较大；反之，则瞬断区就较小。以上分别介绍了各种条件下出现的疲劳断口三个区域的一股宏观特征，它们是判断零件疲劳失效的重要证据之一。但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多因素，诸如材料种类、强度级别及环境介质等，这些因素可能使断口三个区域的形貌及其界限模糊不清，所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型、分明。止匕外，在某些情况下，由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面在断裂过程中受到严重磨损等原因，以至于无法借助于它的宏观形貌来判断其失效性质。在另一些情况下，虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性

21、质，但尚需进一步查明引起疲劳失效的原因，这时就需要借助于微观断口分析。2.3 疲劳破坏机理2.3.1 疲劳裂纹萌生机理材料中疲劳裂纹的起始或萌生，也称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹形成后，将在使用载荷的作用下继续扩展，直至断裂发生。疲劳裂纹成核处，称为裂纹源”。裂纹起源于高应力处。一般来说，有二种部位将会出现高应力：1）应力集中处。材料中含有缺陷、夹杂，或构件中有孔、切口、台阶等，则这类几何不连续处将引起应力集中，成为裂纹源”。2）构件表面。在大多数情况下，构件中高应力区域总是在表面（或近表面）处,如承受弯曲或扭转的圆轴，其最大正应力或最大剪应力在截面半径最大的表面处。表面还难免有加工痕迹（如切削刀

22、痕）的影响，环境腐蚀的影响。同时，表面处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行，而滑移是材料中裂纹成核的重要过程。金属大多是多晶体，各晶粒有各自不同排列方位。在高应力作用下，材料品粒中易滑移平面的方位若与最大作用剪应力一致，则将发生滑移。材料表面b）细滑移约0. 1 L皿图2-3微裂纹形成示意图滑移可以在单调载荷下发生，也可以在循环载荷下发生。图2-3中示出了在较大载荷作用下发生的粗滑移和在较小的循环载荷作用下发生的细滑移。在循环载荷作用下，材料表面发生滑移带挤出”和凹入"，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。滑移的发展过程与施加的载荷及循环次数有关，图2-4是多晶体锲中同一位置在不同

23、循环次数时的金相照片，其中的黑色围线是晶粒边界。由图2-4可见，经历了104次循环后，只有少数几处出现滑移，滑移线细，表示其深度较浅，用电解抛光将表面去除几个微米，这些浅滑移线可以消除。随着循环次数增加，滑移线（或滑移带）越来越密集，越来越粗（深），如图中到27M04次循环时所示。104次（b）5X04次（c）27冲04次图2-4循环载荷下多晶体馍中滑移的发展应当注意，滑移主要是在晶粒内进行的。深度大于几个微米的少数几条滑移带穿过晶粒，成为持久滑移带”或称驻留滑移带”，微裂纹正是由这些持久滑移带发展而成的。滑移只在局部高应力区发生，在其余大部分材料处，甚至直至断裂都没有什么滑移。表面光洁可延缓

24、滑移，延长裂纹萌生寿命。2.3.2 疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带成核，是由最大剪应力控制的。形成的微裂纹与最大剪应力方向一致，如图2-5所示。图2-5裂纹扩展二阶段在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂纹沿45。最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条微裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿45。最大剪应力面的扩展是第1阶段的扩展，在最大拉应力面内的扩展是第2阶段的扩展。从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力水平，但通常都在0.05mm内，只有几个晶粒的尺

25、寸。第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强材料，尤其如此。与第1阶段相比，第2阶段的裂纹扩展较便于观察。C.Laird（1967）直接观察了循环应力作用下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型"，如图2-6所示。图2-6（a）示出了循环开始时的裂纹尖端形状；随着循环应力增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于高度的应力集中而沿最大剪应力方向滑移(图b);应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，开创出新的表面(图c);卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失,它将在卸载引入的压应力作用下失稳而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循

26、环压应力作用下，又成为尖裂纹，但其长度已增加了一个a。下一循环，裂纹又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹，称之为疲劳条纹(striation)。(e)疲劳条纹不同于前述之海滩条带，断口上的海滩条带一般是肉眼(或用低倍放大镜)可见的；疲劳条纹在晶粒级出现，必需借助于高倍电子显微镜才能观察到；故一条海滩条带可以包含几千条甚至上万条疲劳条纹。2.3.3 疲劳断口的微观特征1976年，Crooker指出，利用高倍电子显微镜可以观察到三种不同的疲劳裂纹扩展的微观破坏形式。即微解理型(microcleavage),条纹型(striation)和(micro

27、voidcoalescence)。图2-7是我们在1984年获得的Cr12Ni2WMoV钢疲劳裂纹扩展微观观察照片。图2-7(a)是微解理型，对应于比较低的裂纹扩展速率(10-5-10-7mm/c);图2-7(b)是条纹型，对应的裂纹扩展速率约为10-6-10-3mm/c；图2-7(c)是微孔聚合型，对应于较高的疲劳裂纹扩展速率(10-4-10-1mm/c)。其中，最值得注意的是微观疲劳条纹。疲劳条纹的形成与载荷循环有关，由条纹间距可以估计裂纹扩展速率。微观疲劳条纹”不同于前述之断口宏观疲劳海滩条带”，海滩条带的形成与周期载荷循环块对应，肉眼可见；疲劳条纹与单个循环载荷对应，需要利用高倍电镜(

28、103-104倍)才能观察，一条海滩条带可能含有成上千上万条条纹(a)微解理型(b)条纹型微孔聚集型图2-7Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观观察照片由疲劳破坏断口提供的大量信息，可以对构件或结构的失效原因进行分析。例如，首先观察断口的宏观形貌，由是否存在着裂纹源、裂纹扩展区及瞬断区等三个特征区域，判断是否为疲劳破坏；若为疲劳破坏，则可由裂纹扩展区的大小，判断破坏时的裂纹最大尺寸；进而可利用断裂力学方法，由构件几何及最大裂纹尺寸估计破坏载荷，判断破坏是否在正常工作载荷状态下发生；还可以观察裂纹起源的位置在何处。再利用金相显微镜或低倍电子显微镜，可对裂纹源进行进一步观察和确认，并且判断是否因为

29、材料缺陷所引起，缺陷的类型和大小。再进行高倍电子显微镜微观观察，借此可以研究疲劳裂纹扩展的机理。由宏观海滩条带”和微观疲劳条纹”数据，结合构件使用载荷谱分析，还可能估计裂纹扩展速率。疲劳断口分析，不仅有助于判断构件的失效原因，也可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。因此，发生疲劳破坏后，应当尽量保护好断口，避免损失了宝贵的信息。2.3.4 疲劳研究方法疲劳断裂问题，需要研究载荷谱、裂纹萌生及扩展规律、构件细节应力分析、疲劳寿命预测和抗疲劳设计方法等等。一方面由于涉及因素多，问题复杂，难以找到解析的、普遍的寿命预测方法；另一方面，工程应用的需求迫切。因此，研究问题时必须抓住主要因素，建立简化模型

30、，逐步深化认识。例如，对于载荷谱，先研究包幅循环载荷的最简单情况，再考虑变幅载荷下的损伤累积，最后考虑随机载荷。对于裂纹萌生及扩展规律，则先研究不含缺陷的光滑材料在恒幅循环载荷载荷作用下的裂纹萌生规律，给出应力寿命、应变寿命及不引发裂纹的疲劳极限等基本关系，再讨论应用于构件时所需进行的必要的修正，建立裂纹萌生寿命估算方法，满足无限寿命设计、安全寿命设计的需求。再讨论含裂纹材料的断裂和疲劳裂纹扩展规律，研究断裂判据，研究在不同载荷谱作用下裂纹扩展寿命的预测，建立损伤容限设计方法。关于寿命预测和抗疲劳设计方法，是依赖于对问题的认识水平，从不考虑裂纹向考虑裂纹；从确定性分析向可靠性分析；从控制构件和

31、结构的安全向综合控制设计制造使用维修，以安全和经济为目标；逐步发展、丰富的止匕外，还应研究疲劳破坏的基本机理，不断积累、深化对于疲劳断裂破坏的更本质的认识，不断提高抗疲劳设计能力。疲劳断裂研究的基本思路如图2-8所示。计数法随机载荷累积损伤方恒幅循环载荷S , R变幅循环载荷构件细H应力分析寿命预测安全寿命设tl图2-8疲劳研究基本框图3实例腐蚀疲劳裂纹3.1 腐蚀疲劳的研究现状腐蚀疲劳（CF）是工程结构或构件在腐蚀环境与交变应力协同、交互作用下，因开裂而提前失效的现象。众所周知，任何结构或构件是在一定的环境下使用的。恶劣的环境不仅会损伤材料的表面，更重要的是会降低材料的断裂韧性，加快裂纹的形

32、成与扩展，甚至产生无预兆的突然断裂。而金属的腐蚀疲劳是化学工业、油气开采及加工工业、热能工业、造船工业、海洋开发业中常见的失效方式之一。自从1917年Haihg首先在腐蚀疲劳实验室试验报告中提出腐蚀疲劳现象以来，距今已有近100年的历史。此后直到1926年才有McAdma和Lhamnna出版了著名的有关腐蚀疲劳的论文，前者并引进了新词“腐蚀疲劳”。他们发表的论文激发了大家的兴趣，随后大量的研究均围绕该题目展开。1930年，Hvarye写道：”现在，腐蚀疲劳现象的发现是二十世纪冶金学的重大进展，最初四年的研究显示，腐蚀疲劳是遭受重复应力的产品的主要问题”。在这之后人们逐渐认为腐蚀疲劳是许多失效的

33、原因，主要包括海军的传动轴，驾驶杆和摩托车轴，锅炉和耐热管，泵杆，以及其他设备。从上个世纪40年代到50年代，腐蚀疲劳的研究主要围绕油田的抽油管，矿山的岩石输管，火车轴，船壳等方面而展开。自50年代初期起，随着断裂力学学科的发展，疲劳裂纹扩展问题日益得到重视，人们认识到在绝大多数工程结构应用实例中的疲劳损伤是由循环作用的应力和外界环境因素共同作用的结果所造成的，因此腐蚀疲劳裂纹扩展的研究便成为评估结构完整性、耐久性和可靠性以及优化结构的主要内容。60年代中期Borwn和Beachem开创了SCC测试采纳线性弹性断裂机理方法取得的结果，吸引了大批的研究人员进行腐蚀疲劳的研究。另外Leckie首先

34、采用施加电位的方法来研究静止放置的带有裂纹试样的裂纹生长速率与施加电位的关系。这种方法后来成为腐蚀疲劳裂纹生长FCG和工作条件下预防腐蚀疲劳的主流方法。不过当时人们对腐蚀疲劳的认识还局限于腐蚀疲劳机理和腐蚀疲劳性能的基础研究方面。环境因素对疲劳裂纹扩展影响的研究在60年代中期得到迅速的开展，并延续了近20年的时间。后来随着人们对工程结构和构件的使用寿命不断提高，特别是随着飞机、船舶等工程构件使用中暴露出来的腐蚀疲劳问题越来越严重，自70年代以来，腐蚀疲劳引起了各国科学家和工程技术人员的广泛重视，研究工作由50-60年代的基础研究方面逐渐转到腐蚀疲劳的应用研究方面。在这期间腐蚀疲劳研究分析方面呈

35、现两个明显特征。首先，大力研究腐蚀疲劳生长速率；首要的任务是确定开裂生长机理，主要从以下因素中确定：合金元素，热处理，阴/阳极保护参数，以及缓蚀剂等。其次发展了两种重要的物理检测方法（一种是采用预裂纹试样和应用裂纹力学方法，另一种是慢应变速率测试技术STR刀，极大地提高了材料测数据的可信度。止匕外，这期间还出版了很多成绩斐然的研究成果；如1971年Barosm首先指出低于Kiscc时环境对腐蚀疲劳的作用只在逐渐增大的张应力下才有效；1977年，Austin和Walke认为在腐蚀疲劳裂纹生长的模型中，独立的机械和化学作用是竞争而不是叠加的。他们提出假设，在环境疲劳裂纹生长速率中取决于两个因素哪个

36、更占优势，这也包括机械疲劳或循环腐蚀疲劳。80年代主要的进展是在静态、动态和环形载荷下建立精确的模型，测定裂纹和裂缝的化学以及生长的结果。Tunrbun和Fertiss报道了在腐蚀疲劳裂纹生长条件下，化学因素对裂纹的限制。该研究支持了Borwn早期的研究成果，并对Borwn的遗漏部分作了科学的补充和分析。此间发表的论文对今后研究环境对裂纹生长的影响研究起了引导作用。不久之后人们就开始采用预裂纹试样或断裂力学来解释腐蚀疲劳试验。预裂纹试样和断裂力学的使用变得很普遍。近20年多年来，物理学家和冶金学家使用扫描隧道显微镜、俄歇电子显微镜、扫描电子显微镜和透射电镜等现代分析检测手段，并借助位错理论，力

37、图从微观方面解释腐蚀疲劳的基本现象，研究腐蚀疲劳失效机制；工程技术人员借助高速计算机和断裂力学的发展，从宏观方面力图采用简单的实验室试验数据和半经验的设计理论去设计零件及系统。大量的研究工作集中在腐蚀疲劳裂纹门槛、疲劳短裂纹、变幅疲劳、环境介质及复合加载下的疲劳，但总的看来，尚无重大的突破性进展。值得注意的是随着材料使用条件的苛刻，对材料本身的质量和性能提出了更高的要求，而随之产生的腐蚀疲劳问题也将日益受到人们的重视23,24,25人们认识到在绝大多数工程结构应用实例中的疲劳损伤是由循环作用的应力和外界环境因素共同作用造成的。因此，腐蚀疲劳裂纹扩展的研究便成为评估结构完整性、耐久性和可靠性以及

38、优化结构的主要内容。由于腐蚀疲劳是涉及多个学科的复杂问题，来自力学、化学及冶金学等方面的因素都会对其产生影响，这就会带来应用各种环境参与的裂纹扩展模型时诸多困难与不便，因而，人们转而去寻求适合工程应用的方法。根据各种高强度材料和环境介质所构成的不同系统的腐蚀疲劳试验结果，可以发现腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅之间存在有3种典型的关系图,如图3-1所示。(a)A型(b)B型(c)C型图3-1腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子关系的分类A型(da/dN)cf-K曲线类似常规疲劳(da/dN)cf-K曲线的规律。介质的存在使(da/dN)cf-K曲线的应力强度因子门槛值Kth、较常规疲劳的相应

39、值小，而裂纹扩展速率较常规疲劳的裂纹扩展速率大，当K接近金属材料的断裂韧性时，介质的影响减小，裂纹扩展很快。铝合金和水介质系统属于这种类型。B型在(da/dN)cf,随应力强度因子幅变化的曲线类似应力腐蚀裂纹扩展曲线，当AK<Kiscc时，介质的影响很小，可忽略不计；当K>Kiscc时，介质对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响极大，出现水平台阶。一般情况下高强度钢和氢介质属于这种类型。C型这一类型是A型和B型的混合型，大多数材料和介质组成的系统属于此类型。各种金属材料腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线，按裂纹扩展速率的高低和曲线的特征，大体可划分为3个区：（l）近门槛区，（da/dN）cf<1

40、0-8m/cycle时，裂纹扩展速率随应力强度因子幅的降低而迅速下降。（2）中部区，（da/dN）cf1（8m10-6/cycle时，裂纹扩展速率随应力强度因子幅的增加而升高，或出现应力腐蚀的准平台。（3）快速扩展区，（da/dN）cf>10-6m/cycle时，由于裂纹扩展速率很高以致腐蚀环境的影响很小，而且裂纹在此区内扩展所占总裂纹扩展寿命的比例非常小，工程意义不大。随着人们对腐蚀疲劳裂纹扩展研究的开展和对这一现象认识的不断深入，在定量估算环境对腐蚀疲劳裂纹扩展方面的影响已形成多种观点。人们通过大量的试验研究建立了叠加模型、过程竞争模型及位错偶极子模型等3种腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型。

41、这些模型的建立为裂纹构件的断裂力学设计和腐蚀疲劳裂纹扩展余寿命预测提供了依据。3.2 腐蚀疲劳机理1、气相腐蚀疲劳机理气相腐蚀疲劳又称干腐蚀疲劳，指在不含水的气体介质中的疲劳现象，在气相腐蚀疲劳过程中，腐蚀性气体与金属材料通过化学腐蚀起作用，降低疲劳寿命。气相腐蚀疲劳的机理，主要有4种模型：1）气体介质溶解模型；2）氧化膜阻碍滑移模型；3）氧化膜强化表面模型；4）气相吸附表面能降低模型。这些模型适应于不同条件下的腐蚀疲劳，由于本文研究的腐蚀疲劳属于液相腐蚀疲劳范畴，所以仅讨论液相腐蚀疲劳机理。2、液相腐蚀疲劳机理液相腐蚀疲劳是指在电解质溶液，尤其是含水的液体介质中的疲劳现象。在液相腐蚀疲劳过程

42、中，腐蚀性电解质与金属材料通过电化学腐蚀起作用，降低疲劳寿命。液相腐蚀疲劳，与空气中的疲劳有很大的不同"就光滑试样而言，空气中疲劳时裂纹形成寿命约占总寿命的90%,而裂纹扩展寿命仅占10%。腐蚀疲劳则相反，裂纹形成寿命减少到仅占腐蚀疲劳总寿命的10%,裂纹扩展寿命则要占90%。对腐蚀疲劳过程的认识可以从两个方面考虑，一是介质如何加速了裂纹的萌生和扩展；二是循环形变怎样促进腐蚀过程的发展。介质、形变对材料的交互作用在过程各个阶段所起作用是不同的，腐蚀疲劳规律是比较复杂的，目前对腐蚀疲劳的机理仍有不少争论，比较流行的观点是腐蚀应力集中、选择性电化学侵蚀、钝化膜的开裂、介质吸附和氢致开裂等

43、。1）腐蚀应力集中：这种观点认为腐蚀造成的表面蚀坑引起应力集中，促进裂纹萌生。支持这种观点的实验事实是腐蚀疲劳裂纹多在半圆形的蚀坑底部出现，如钻杆的腐蚀疲劳失效即是如此。在先腐蚀的疲劳试验中，预腐蚀时间越长，腐蚀强度下降越多。但后来有人发现蚀坑不完全是产生腐蚀疲劳的必要条件，如低碳钢在酸性介质中不产生蚀坑，腐蚀疲劳强度仍然显著下降，而在pH值为12的盐水溶液中，金属表面尽管产生了一些蚀坑，但腐蚀疲劳强度却变化不大，腐蚀疲劳裂纹并沿着蚀坑萌生。因此这种观点比较适用于解释活性腐蚀疲劳。2）选择性电化学侵蚀：这种观点认为疲劳过程中产生集中形变区，这种区域中的位错组态或杂质沉淀与基体不同，在动态过程中

44、这个形变集中区首先发生阳极溶解。随着疲劳过程的滑移形态的反复进行，溶解不断进行，从而出现腐蚀沟，引起应力集中而导致裂纹萌生。3）钝化膜开裂：这种观点仅适用于钝化态腐蚀疲劳。许多金属都能形成钝化膜，但疲劳过程表面滑移台阶能破坏钝化膜，裸露出的金属在介质中发生阳极溶解。当钝化膜被修复后溶解停止，下一循环的滑移开始又重复同一过程，其结果形成了微观沟槽，并使滑移越来越集中在该处，以至最终形成腐蚀疲劳裂纹。4）介质吸附和氢致开裂：这种观点与应力腐蚀开裂性质的溶解很相似，一般认为在金属材料表面分解的氢通过扩散进入金属，在三轴应力状态的裂纹尖端塑性区聚集成原子团使微裂纹形成，微裂纹与主裂纹前缘相连接而使裂纹

45、向一前推进。这种观点的另一说法是由于裂纹尖端金属表面吸附氢之后表面能降低，使裂纹尖端以张开型断裂方式扩展。支持上述这种观点的实验事实有：钢在水溶液或水蒸汽中的疲劳断口有准解理和沿晶小平面状形貌，这些小平面在铁素体中出现，并非由裂纹一次向前推进造成上面有规则的疲劳纹。研究人员认为这些脆性条纹是在主裂纹前形成的微裂纹，然后通过撕裂使微裂纹与主裂纹相连。上述四种流行观点前三种着重于解释腐蚀疲劳裂纹的萌生，而后一种观点着重于解释裂纹的扩展。如前所述，腐蚀疲劳与应力腐蚀既有区别又有联系，在同一过程中可能既存在腐蚀疲劳问题，也有应力腐蚀开裂问题。对腐蚀疲劳过程裂纹扩展的贡献可用应力腐蚀开裂的裂纹扩展速率来

46、描述。在钝化体系中，裂纹萌生行为主要受膜破裂机制或点蚀机制控制，而在活化体系中，阳极溶解和氢脆机制的作用更明显。3.3 现有研究方法和常用理论模型近20年来，我国在材料疲劳裂纹扩展领域的研究主要以实际应用为背景，针对广泛应用的各种合金钢和铝合金进行。研究内容主要包括：（1）材料组织、力学性能、应力比、低温环境、盐水环境、载荷波形以及随机因素在对裂纹扩展行为的影响；（2）通过建立各种数学模型对裂纹扩展的寿命进行估算，对裂纹扩展曲线进行拟合，对各影响参数（如疲劳裂纹扩展门槛值）和裂纹扩展速率的关系进行描述；（3）疲劳变形机理和小裂纹的扩展机理。在研究方法上，人们通常使用线弹性断裂力学方法来研究裂纹

47、的扩展问题。实践证明，对绝大部分材料而言,用这种方法处理的裂纹扩展速率试验结果可完全适用于工程中对含缺陷构件裂纹扩展寿命的预测。疲劳裂纹扩展研究近50年的历史中，最重大的成就可以认为是Paris将应力强度因子幅K用来定量地描述疲劳裂纹扩展速率，提出了著名的Paris公式30,31。疲劳裂纹扩展的一般规律通常用da/dN-AK的双对数坐标下的裂纹扩展速率曲线表示，如图1-6所示。它可描述为：当作用于裂纹尖端的循环应力强度因子幅4K低于门槛值Kth时,裂纹不扩展；当应力强度因子幅略大于门槛值时，裂纹低速扩展且随K的增加裂纹扩展速率快速升高，这一阶段的扩展被定性地称为近门槛扩展区；当4K继续增加，裂

48、纹扩展速率由快速升高变为以某种几乎恒定的升高速率缓慢升高，这一阶段的扩展被称为中部稳态扩展区；当K进一步增加，裂纹扩展速率再次变为快速升高直至最终断裂，这一阶段的裂纹扩展被称为快速扩展区。上述近门槛区、中部稳定区和快速扩展区通常被分别称为A区、B区和C区。对金属材料的大量研究表明，上述各区段的裂纹扩展具有不同的扩展特征，表3-1列出了三个疲劳裂纹扩展区的扩展特征(J-RJKcI mm/bourI mm/mkn1 mm/dny图3-2疲劳裂纹扩展的一般规律及其扩展速率曲线的三个分区表3-1三个疲劳裂纹扩展区的扩展特性ABC术语低扩展速率区中速稳定扩展区高速扩展区(近门槛区)(Paris)微观失效

49、模式单剪切双滑移附加静态模式断口形貌小平闻或锯齿形辉纹解理、准解理或微孔聚集裂纹闭合程度高低微观组织影响大小大应力比影响大小大环境影响大复杂小应力状态影响大大近顶端塑性区小于或等于大于或等于远大于晶粒晶粒尺寸晶粒尺寸尺寸现有的疲劳裂纹扩展的定量模型都是建立在连续介质力学基础上。在线弹性范围内，可以用应力强度因子来描述应力-应变场的全部特征。对此，已形成了很多较成熟的理论表达式和测试方法，但应用最为广泛的还是Parise-Erdogan式(da/dN=C(AK)、Forman方程da/dN=C(AnK)/(1-R)Kic-AK,以及由郑修麟教授和Hirt教授提出的考虑了裂纹扩展门槛值的裂纹扩展速

50、率方程da/dN=B(Af-AKth2)。这3个方程都可以很好的对裂纹在第二阶段的扩展特性进行描述，但也有一部分科学家进一步将应力比、温度、频率等因素对材料裂纹扩展的影响转化为一些表示具体含义的参数，使裂纹扩展表达式更能直观的表现出影响裂纹扩展的具体内在因素。比如，研究温度对材料裂纹扩展的影响时，F.Jeglie考虑到在温度变化条件下的裂纹扩展是一种具有体扩散机制的热激活过程，Paris-Erdogan公式中的C和n应该是激活能的函数，从而提出了改进的裂纹扩展表达式(3-1),并且认为表观激活能Q=Qo-C21nAK可由每一个恒AK下的lg(da/dN)-1/T关系曲线的斜率求出。dadNn=

51、Ci( K) exp、0 3 KRT(3-1)式中，C1和C2为常数，T为温度，R为气体普适常数，Q0为体扩散激活能。如果进一步考虑高温下材料的蠕变对裂纹扩展的影响，还可借助于G.A.Webster基于弹塑性断裂力学中J积分的概念提出的，控制蠕变裂纹扩展速率的断裂力学参数C来分析。由于C具有明确的物理意义，因此在许多蠕变裂纹扩展过程中得以应用，并且能获得良好的效果。从上述的裂纹扩展模型看到，当载荷条件和工作环境发生变化时，材料的裂纹扩展速率就会发生变化。为了能较准确地估计出含裂纹构件的疲劳寿命，需要对构件材料裂纹扩展行为的变化规律有一定的了解。3.4 试验分析以S135钻杆钢为例，按照GB/T

52、6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法的要求将原材料经过机加工，制成150mmx25mmx4mm的单边裂纹试样，缺口尺寸4mm,用线切割加工而成。在腐蚀环境中，为了使腐蚀液在裂纹根部具有很好的流动性，试验应在低试验应在低的频率下进行(频率为10Hz),腐蚀介质为3.5%NaCl,pH值为7-8,介质温度控制在23c±3C之间，裂纹长度由读数显微镜测量。试样形状如图3-3所示。在PLD-100型微机控制电液伺服疲劳试验机进行试验，试验温度为室温，频率为5Hz,加载波形为正弦波，最大载荷Pmax=8.0kN,试验应力比R分别为0.1,0.3,0.5,获得不同应力比下的da/dN-AK关系。对试样断口进行扫描电镜观察获取微观组织图像进行分析。3.4.1 确定da/dN-AK关系公式裂纹尖端应力强度因子幅AK计算如公式(3-2)和(3-3),P(1-R)(3-2)(3-3)K二maxaf(a)WRwaaa2_a3a4f(-)=1.99-0.41-18.7(一)2-38.48(一)353