第九章 疲劳与断裂

第九章疲劳与断裂结构材料以强调力学性能为其突出特征。许多结构材料在使用中会受到交变应力（循环载荷）的作用，在循环载荷下，材料表现出疲劳断裂特征。

在特定外界条件下工作的构件，虽然所受应力低于材料屈服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂。

由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂；

而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静载延迟断裂，或称静疲劳；疲劳与断裂是材料、构件和机械最常见的失效方式，约占构件全部失效的50％~90％。9.1疲劳9.2低温断裂与疲劳9.3高温蠕变与疲劳9.4环境断裂—氢脆9.1疲劳

一、疲劳概念

1、疲劳

2、疲劳失效的特点

二、疲劳裂纹扩展的物理模型

1、疲劳失效过程

2、几种物理模型

3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征

在循环载荷下，材料或结构经历着局部性的损伤积累过程，一旦达到足够的应力或应变循环后，材料产生裂纹，并随着循环次数的递增，出现裂纹的稳定扩展，最后达到失稳扩展或断裂。疲劳与断裂是研究在交变载荷作用下材料与结构中裂纹的萌生、扩展与断裂的力学行为、微观机理及其工程应用，包括研究带裂纹的材料与结构的剩余强度、寿命估算和延寿措施等。9.1.1疲劳概念

1、疲劳

材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏称为疲劳破坏或疲劳失效。

影响构件疲劳行为的因素很多，可以分为四类：材料、外载荷、环境条件和构件的形状和尺寸。

按外载荷的大小，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。对于金属材料，通常把疲劳失效周次Nf＞104~105的疲劳称为高周疲劳，反之称为低周疲劳；

若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳，否则则为变幅疲劳；

由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳；

温度高于再结晶温度或高于(0.5~0.6)Tm时的疲劳，属于高温疲劳，Tm为金属的熔点；

由于温度的变化形成的变动热应力引起的疲劳，称为热疲劳；

应变速率大于102/s的疲劳问题属于冲击疲劳。9.1.1.2疲劳失效的特点(1)疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂

疲劳失效在远低于材料的静载极限强度甚至远低于材料屈服强度下发生。(2)疲劳破坏宏观上无塑性变形

与静载荷作用下材料的破坏相比，具有更大的危险性。(3)疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力(应变)作用引起的损伤是随着载荷次数逐次增加的。(4)与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织和缺陷更加敏感

这是因为疲劳有极大的选择性，几乎总是在构件材料表面的缺陷处发生。(5)疲劳失效受载荷历程的影响

过载损伤会导致疲劳强度的下降。

图12.4为钢的拉伸应力应变曲线，加载到A点卸载再重新加载，其抗拉强度

b与末卸载的相同，即未受到载荷史的影响。图12.4工程应力应变曲线

一定的过载也可能延缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳寿命，如图12.5所示。图12.5

过载引起疲劳裂纹扩展延滞效应

9.1.2疲劳裂纹扩展的物理模型1、疲劳失效过程

疲劳裂纹的扩展，一般可分为三个阶段，如图12.6所示。

图12.6da/dN~

K曲线及其微观机制示意图

Kth——疲劳门槛值；

Kc——最终断裂强度因子；

K——应力强度因子幅值。

整个扩展过程可以近似地以“s”形曲线来描述：

A段为第一阶段，

K小，扩展速率低，da/dN＜l0-6mm/次，为非连续区，呈现一种结晶学形态的断口；

B段为第二阶段，da/dN＞10-5mm/次，为连续扩展区，断口形态以疲劳条纹为主；

C段为第三阶段，da/dN＞10-3mm/次，为失稳扩展区，断口形态以“韧窝”(dimple)、晶间断裂或纤维状为主。根据疲劳断口表面与应力轴的相对位向，裂纹扩展可分为切应变型(第一阶段扩展)和正应变型(第二阶段扩展)两种。

根据裂纹扩展的微观机制，裂纹扩展模型又可以分为三类：滑移型、钝化型和再生核型，见表12.1：

9.2低温断裂与疲劳

低温致脆的最大特点是存在某一特定的温度范围，在此温度范围以上的断裂是韧性断裂，不显示脆性断裂的特征；低于此温度范围，为无韧性特征的脆性断裂；在此特定温度范围内的断裂，则显示韧-脆过渡形态，同时具有不同程度的韧性和脆性的断裂特征。这种现象称为冷脆。

而材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度TK称为韧-脆转化温度，或冷脆转化温度。一、韧-脆转化理论

1、韧-脆转化的物理本质

2、Stroh的韧-脆转变温度理论

3、韧-脆转化的Cottrell模型-Petch屈服理论解释

二、低温疲劳

二、低温疲劳

（1）温度降低，光滑试样的疲劳极限明显提高（2）材料在低温下的疲劳缺口系数增大把常温下测得的疲劳强度用于低温零件设计一般是安全的，但是材料在低温下疲劳缺口敏感性提高，因此低温下更要注意处理好应力集中问题。

对于BCC和HCP等存在韧-脆转化的材料，疲劳强度也有韧-脆转化的问题。9.3高温蠕变与疲劳

很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。

高温对金属材料的力学性能影响很大。

温度和时间还影响金属材料的断裂形式。一、高温蠕变

1、蠕变现象和蠕变曲线

2、蠕变极限和持久强度

3、蠕变断裂

4、蠕变断裂机制图

二、高温疲劳

9.3.1高温蠕变

1、蠕变现象和蠕变曲线当温度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称为蠕变。相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。

图12.16典型蠕变曲线

曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的，称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率，用表示。ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐渐减小，故又称为减速蠕变阶段；

bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕变阶段，即其蠕变速率保持恒定；蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为三个阶段：4、蠕变断裂机制图晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温低应力下情况更是如此。晶间断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。9.3.2高温疲劳

高温疲劳涉及疲劳、蠕变和环境影响等几个与时间有关的过程的交互作用，这些过程在高温疲劳损伤中的相对作用随具体材料而异。

材料在高温下的疲劳行为，除了与循环应力有关，还与材料的化学成分、显微组织和环境等因素有很大关系。9.4环境断裂—氢脆

材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂，简称氢脆。氢脆主要发生在金属材料构件中。一、氢脆的类型及特征

1、氢压裂纹

2、氢致化学变化导致的氢脆——氢腐蚀

3、氢致相变导致的氢脆

4、可逆氢脆

5、氢致滞后断裂

6、氢致断裂断口形貌

二、氢脆机理

1、氢压理论

2、氢降低键合力(弱键)理论

3、氢降低表面能理论

4、氢致开裂新机理

9.4.1氢脆1、氢压裂纹

在材料中某些缺陷位置，H能复合成H2，室温时它是不可逆反应，即H2不会再分解成H。随着进入该缺陷的氢浓度的增加，复合后H2的压力也增大。当氢压大于屈服强度时就会产生局部塑性变形，如缺陷在试样表层，则会使表层鼓起，形成氢气泡。当氢压等于原于键合力时就会产生微裂纹，称为氢压裂纹。

氢压裂纹包括钢中白点、H2S浸泡裂纹、焊接冷裂纹以及高逸度充氢时产生的微裂纹等。（1）钢中的白点

钢材剖面酸洗后有时可以看到像头发丝一样的细长裂纹，其宽度一般约1

m，故也常称为“发裂”。如沿着这些裂纹把试样打断，在断口上可观察到具有银白色光泽的椭圆形斑点，故称为“白点”。它实际上是一个内部充满H2的钱币形裂纹。(2)H2S诱发裂纹碳钢或低合金管线钢在H2S溶液中浸泡时，即使不存在外应力，试样内部也会产生微裂纹，裂纹呈台阶状。如裂纹处在试样表面附近，则容易在表面引起鼓泡。

H2S在钢的界面上反应生成H，它进入试样后富集在夹杂物周围，复合成H2，产生氢压，当分子氢压大于临界值时就会产生裂纹。(3)焊接冷裂纹焊接过程是个局部冶炼过程，焊条及大气中的水分会进入熔池变成H，当进入的氢量较高时，在焊后的冷却过程中就有可能产生氢压微裂纹(类似于钢中白点)。采用低氢焊条，焊前焊条和工件烘烤，焊后工件缓冷等措施就可避免焊接冷裂纹。(4)充氢(或酸洗)过程中产生的微裂纹在酸洗或电解充氢过程中也有可能产生氢压裂纹。电解充氢时出现的不可逆氢损伤(氢鼓泡或裂纹)主要是充氢逸度过高引起的。降低充氢电流密度，不加毒化剂(如As2O3，CS2等)或用熔盐充氢代替溶液充氢，就可避免充氢过程中出现不可逆氢损伤。

2、氢致化学变化导致的氢脆——氢腐蚀

材料在高温高压氢环境下使用较长时间后，有时在晶界附近能产生很多气泡或裂纹，从而引起构件的失效，这种不可逆损伤称为氢腐蚀。

原因：在高温高压下H进入钢中后与碳化物反应生成甲烷。形成的CH4分子不能从钢中扩散出来，就在晶界夹杂物处形成气泡，并有很大压力。随着CH4的不断形成，气泡不断长大，当气泡中CH4的压力大于材料在该温度下的强度时就会使气泡转化成裂纹。

在钢中加入Cr，Mo，Ti，V，Nb等碳化物形成元素，形成稳定的合金碳化物，可以大大减小氢腐蚀倾向。3、氢致相变导致的氢脆(1)氢化物析出导致氢脆很多金属或合金(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Re等)能形成稳定的氢化物，氢化物是一种脆性中间相，一旦有氢化物析出，材料的塑性和韧性就会下降，即氢化物析出导致材料变脆。这是一种氢致相变引起的氢脆。(2)氢致马氏体相变不稳定型奥氏体不锈钢在电解充氢时会发生氢致马氏体相变，形成

或

马氏体，从而降低材料的塑性和韧性。氢致马氏体相变的本质和冷加工诱发马氏体相变相同，因为充氢时表层会产生很高的压应力，这个局部应力能诱发马氏体相变。另一方面，氢能使奥氏体的堆垛能下降，这就有利于马氏体相变的发生。上述氢损伤(氢压裂纹，氢腐蚀，氢致相变)是不可逆的。均为不可逆氢脆。4、可逆氢脆

固溶的氢在拉伸过程中通过扩散和富集导致材料塑性下降称为可逆氢脆。

如果在拉伸前或屈服前把试样中的氢除去(室温放置或中温加热)，则可使塑性