材料裂纹的产生及扩展的原因分析

1、材料疲劳裂纹的产生及影响裂纹扩展的因素摘要：文中通过对疲劳裂纹的研究，全面分析了疲劳裂纹的产生，交变应力，表 面状态，载荷形式，化学成分，夹杂物等对疲劳产生的影响；分析了影响疲劳裂 纹扩展的因素，载荷，腐蚀环境，热疲劳，温度对疲劳裂纹扩展的影响机理，论 述了其影响效果，对进一步研究分析裂纹的产生，防止裂纹进一步扩展，提高材 料的寿命有一定的帮助。关键词：疲劳裂纹；疲劳裂纹扩展Abstract: In this paper, through the study of fatigue crack, and making a comprehensive analysis of the fatigue

2、 crack produces, alternating stress, the surface, and the load form, chemical composition, inclusion has effect on the fatigue; Analyzing the effect of fatigue crack growth s factors. and the load, corrosive environment, thermal fatigue, temperature have influence on the fatigue crack propagation, I

3、t is a great help to study further the fatigue, prevent crack further expanding, and improve the life of the materials .Keyword: fatigue crack ; fatigue crack growth1引言机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂 纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置 上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易 于造成事故。由于各种原因导致疲劳裂纹的产生和扩展，最

4、终导致材料的断裂而 引发事故，因而有必要对材料裂纹的产生与扩展进行综合分析，下面是对金属疲 劳产生的影响因素及裂纹的扩展影响因素进行的研究分析。2材料疲劳裂纹的产生当材料受到小于屈服强度的交变应力时，会产生疲劳问题，即在疲劳源附近， 发生裂纹的萌生和扩展，随着裂纹的扩大，结构最后发生断裂。裂纹的产生和扩 展是由局部的应力集中产生的。防止方法，对于表面裂纹，可以尽量磨光表面， 减少初始疲劳源，也可以采用表面预压的方法，如喷丸。对于内部的，则应该注 重材料的性能，减少夹杂、松孔，如把空气中铸造的改成真空铸造，精细铸造， 或换成锻造，精锻。也可以利用一些热处理，减小材料内部的残余应力或不均匀 力等，

5、或改变局部的硬度。由于疲劳裂纹经常从零构件的表面开始，所以金属零构件的表面状态对疲劳 强度会有显著的影响。这里所指的表面就是表面加工光洁度、表面层的组织结构 及应力状态等。大量的试验研究结果表明，表面光洁度对疲劳强度有较大的影响， 因为零构件经表面加工后所引起的表面缺陷是应力集中的因素。特别是对高强度 材料，表面稍有缺陷，就常成为极危险的尖锐缺口，这是疲劳源的所在地。载荷形式（弯曲、轴向或扭转）对疲劳强度有一定影响。大量的实验结果表 明，在应力幅度相同时，弯曲疲劳的寿命大于轴向疲劳寿命;在给定的疲劳寿命 时，轴向疲劳应力幅度小于弯曲疲劳的应力幅度，这种现象在高应力低周疲劳中 更加明显。出现这种

6、矛盾的原因是存在应变梯度、体积效应、循环应变硬化和软 化，以及表面裂纹萌生后裂纹扩展的不同。由此可推想到旋转弯曲疲劳寿命也应 当小于反复弯曲疲劳寿命。旋转弯曲试样表面的所有材料，在不同的时间内，均 能受到最大应力作用;而反复弯曲试样只有上部和下部的最外层能承受到最大应 力，相比之下，旋弯试样出现裂纹的几率大，寿命短。在对称循环载荷下，得到的S-N曲线是基本S-N曲线，然而在构件设计中， 载荷往往并非对称循环，即平均应力不一定等于零。因此，要考虑到平均应力对 于材料疲劳性能的影响。一般说来，在应力幅相同的情况下，拉伸平均应力使疲 劳强度和寿命降低，而压缩平均应力产生的影响则比较有利。图1平均应力

7、对疲劳寿命的影响化学成分也直接影响材料的疲劳特性，因为原子间的化学结合力的性质及强 度决定材料的强度及韧度的可能变动范围。一切金属及合金都受疲劳的支配。对 于所有金属，疲劳强度指数及疲劳韧度指数的可能范围大致都是相同的。但是， 疲劳强度系数及疲劳韧度系数的可能范围却视金属的不同而有很大变化。化学成 分由于变更结构或影响某一硬化程序的有效性，因而也间接地影响疲劳特性。夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响是多年来许多学者悉心研究的重要课题，特 别是中、高强钢或高硬度钢，夹杂物和缺陷对疲劳强度的影响更加显著。钢材中 总是存在有各种各样的缺陷和夹杂物，它们周围应力分布的不均匀对疲劳裂纹萌 生和早期扩展有重要作

8、用，也是引起应力集中的原因之一，对疲劳强度影响很大。3影响疲劳裂纹扩展的因素3.1载荷对疲劳裂纹扩展的影响3.1.1残余应力对疲劳裂纹扩展的影响残余应力模型中，在加载过程中裂纹张开，裂纹尖端附近形成一个塑性区， 载荷峰值越大，则塑性区尺寸就越大：卸载后，由于塑性区周围的弹性区材料要 恢复原来的尺寸，为了保持变形协调，己产生了永久变形的塑性区内的材料就要 受到周围弹性区的压缩而产生残余压应力。残余应力对结构的实有应力分布有很 大的影响，残余压应力使疲劳裂纹的扩展减缓。残余应力对疲劳裂纹扩展的影响: (1)残余压应力使裂纹的两个面压紧，从而使裂纹闭合；(2)降低了裂纹的最大应 力强度因子，使裂纹扩

9、展驱动力降低。3.1 .2超载对疲劳裂纹扩展的影响在裂纹尖端残余应力的基础上，过载使裂纹尖端形成大塑性区，而塑性区阻 碍裂纹增长，使裂纹产生停滞效应。施加过载时，裂纹尖端产生较大的残余拉应 变，过载后，在随后的恒定AK作用下逐渐卸载过程中，因裂尖已形成残余拉应 变，使裂纹尖端过早闭合，会产生裂纹的闭合效应，从而裂纹尖端实际的应力强 度因子比实际外加值AK小，所以延缓裂纹扩展速率。有机玻璃中，超载导致裂 纹前缘严重钝化和不规则，裂纹迟滞扩展的过程实际上是从钝化的裂纹前缘重新 萌生裂纹并扩展的过程。在一定范围内，拉伸超载可以延长冲击疲劳裂纹起始寿 命超载造成的残余应力是引起该钢超载效应的主要机制，

10、而超载造成的材料性能 变化对超载效应贡献不大。3.1.3加载频率对疲劳裂纹扩展的影响在研究周期频率对合金裂纹扩展的影响过程中，高温环境下，由于频率的影 响，可从试件断口形貌特征将疲劳行为分为周期相关性、时间相关性和周期一时 间相关性3种类型。由于材料或环境的因素，加载频率对疲劳裂纹扩展速率将产 生很大的影响。加载频率对中温环境下疲劳裂纹扩展的影响。积分范围可以作为 纹扩展的参数，能很好地反映加载频率对裂纹的影响。在试验温度为550C时， 频率的改变对直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能基本没有影响，其裂纹 扩展的控制机理是机械疲劳；在试验温度为650oC时，在0. 5Hz以上频率时，频

11、 率的改变对直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能基本没有影响，其裂纹扩 展的控制机理是机械疲劳；但当频率降低至0.1Hz时，其疲劳裂纹扩展速率明显 加快，裂纹扩展的控制机理是高温氧化。大量研究表明，当AK较低时，dN基本 不受加载频率的影响；当AK较大时，加载频率有较大影响。加载频率降低，dN 增高；加载频率增高，dN降低。.3.1.4平均应力或应力比的影响当循环载荷的应力幅oa给定时，应力比R增大，平均应力om也增大。oa 与。m有如下关系：om= (1+R)(1- R) o a故讨论应力比R的影响就是讨论平均应 力的影响。(1) R0情况以R=0的da/dN-AK曲线为基本裂纹扩展

12、速率曲线，应力比R改变时， da/dN- AK曲线的变化一般有下图所示的趋势。R0时，应力循环中的。min 0。应力幅。a给定时，随R的增大，循环中最大应力。max和最小应力。min均 增大。在裂纹扩展速率的三个区域内da/dN均增大。图中表现为曲线整体向左移 动。因此，随着R的增大，高速率区的上限(1 R)Kc降低，裂纹扩展的寿命减 小；在低速率区，疲劳裂纹扩展速率的下限(门槛值)AKth降低，对含一定缺 陷的构件，不引起裂纹扩展的允许载荷减小。(2) RV0的情况应力比RV0,即循环载荷中包括负应力部分。与R=0的情况相比，负应力的 存在使低速率区da/dN加快；对中速率区的da/dN影响

13、不大；在高速率区，因为 上限(1 R)Kc增大，da/dN还有减缓的趋势。故在不同的裂纹扩展速率区域内， 负应力的存在对da/dN的影响是不同的，情况比R0的复杂得多。总之，应力比R0时，在裂纹扩展速率的三个区域内，da/dN均增大。当R V0时，负应力的存在使低速率区da/dN加快；对中速率区的da/dN影响不大； 在高速率区，da/dN有减缓的趋势。3.2腐蚀环境对疲劳裂纹扩展的影响在腐蚀介质环境中，腐蚀疲劳是介质引起的腐蚀破坏过程和扰动应力引起的 疲劳破坏过程的共同作用。这二者的共同作用，比其中任何一种单独作用更为有 害。因为扰动应力下的裂纹扩展，使新的裂纹面不断地暴露于腐蚀介质中，加速

14、 了腐蚀；不断发生的腐蚀过程也使疲劳裂纹得以更快地形成和扩展。在腐蚀介质 环境中，疲劳裂纹扩展速率总是比在惰性介质环境中高，有时甚至高几个数量级。 而且，一般来说，液体腐蚀环境对疲劳裂纹扩展的影响比气体腐蚀环境更严重。 3.2.1应力腐蚀开裂在腐蚀介质中，即使只有静载荷作用，且裂纹尖端的应力强度因子远低于临 界断裂韧性值，也可能在一定时间后发生裂纹的扩展。将带裂纹的试件加载到K1i (KliVKlc，K1c为1型裂纹的断裂韧性值)置于腐蚀介质中。若材料对该腐蚀 介质敏感，则在一定时间后裂纹将发生扩展。记录在Kli作用下腐蚀介质中裂纹 开始发生扩展的时间，可以得到下图所示的关系。K1i- Tf的

15、关系在腐蚀介质作用下，裂纹可以在应力强度因子K1 i低于K1c的情况下发生扩 展。作用的初始应力强度因子K1i越低，到发生裂纹扩展的时间Tf就越长。当K1i趋于某极限值时，到发生裂纹扩展的时间Tf趋于无限长，这一应力 强度因子的极限值为应力腐蚀开裂的应力强度因子门槛值K1c。若满足K1iVK1c， 则将不发生应力腐蚀开裂。3.2.2腐蚀疲劳裂纹扩展速率在腐蚀性介质中，大量实验研究结果表明，腐蚀疲劳裂纹扩展速率(da/dN) 与应力强度因子AK的关系如下图所示三类。牌蚀成劳(康腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线分类A类：腐蚀疲劳裂纹扩展速率(da/dN) -AK曲线，大致与非腐蚀环境下的裂 纹扩展速率(d

16、a/dN)-K曲线平行。这种情况表明，腐蚀介质的作用使疲劳裂纹 扩展速率普遍加快；腐蚀疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值(K)th与无腐蚀 时的(th相比，有较大的降低。铝合金在淡水中的疲劳裂纹扩展即属此类。B类：注意到 K=(1 R)Kmax，由图可知，当KmaxVKlscc时，腐蚀介质对疲 劳裂纹扩展速率几乎没有什么影响，主要是疲劳过程的作用。若KmaxK1，腐蚀 的作用迅速显示，大大加快了疲劳裂纹的扩展。接着，(da/dN)-K曲线出现一 个平台，腐蚀的化学、电化学作用成为裂纹扩展的主因。如马氏体镍钢在干氢中 的疲劳裂纹扩展即属此类。C类：是A、B二类的混合型。在这种情况下，即使KmaxV

17、Kl，腐蚀介质对疲 劳裂纹扩展也有不利的影响。如高强钢在盐溶液中的疲劳裂纹扩展即属此类总之，在腐蚀介质作用下，裂纹可以在应力强度因子Kli低于Klc的情况下发 生扩展。作用的初始应力强度因子Kli越低，到发生裂纹扩展的时间Tf就越长。 当Kli趋于某极限值时，到发生裂纹扩展的时间Tf趋于无限长。3.3热疲劳对疲劳裂纹扩展的影响热疲劳损伤往住被认为是由于材料在变温循环过程中，出现了往复塑性变形 而造成的结果。这种往复的塑性变形量受材料内部交变热应力控制。当温度循环 与热胀冷缩不同步时，导致热应力循环，从而导致热疲劳，产生疲劳破坏，从而 导致材料的胀裂（龟裂），产生疲劳源，从而产生大截面断裂或者局部断裂。3.4温度对疲劳裂纹扩展的影响在40Cr钢在不同温度回火后疲劳裂纹长度与循环周次的关系中表明，低温回 火后，40Cr钢在缺口处的起裂抗力高，一旦萌生了一定长度的疲劳裂纹，疲劳裂 纹扩展速率明显高于高温回火和中温回火；随着回火温度的升高，40Cr钢在缺口 处的起裂抗力减小，但疲劳裂纹扩展速率也减小。疲劳断口微观分析表面，在疲 劳裂纹扩展初期，低温回火试样的疲劳断口表现出脆性疲劳纹特征，中温回火和 高温回火试样主要是二次裂纹组成的疲劳纹，而且随着回火温度的升高，二次裂 纹间距减小