1、第十二章第十二章 疲劳与断裂疲劳与断裂 在特定外界条件下工作的构件，虽然所受应力低于材料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与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂延滞断裂。外界条件可以是应力，如交变应力；也可以是环境介质，外界条件可以是应力，如交变应力；也可以是环境介质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。由交变应力引起的延滞断裂，就是由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂疲劳断裂；而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做而在静
2、载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静静载延迟断裂载延迟断裂，或称静疲劳；，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占构件全部失效的5090。12.1 疲劳疲劳 12.2 低温断裂与疲劳低温断裂与疲劳 12.3 高温蠕变与疲劳高温蠕变与疲劳 12.4 环境断裂环境断裂氢脆氢脆 12.1 疲疲 劳劳 一、疲劳概念一、疲劳概念 1、疲劳、疲劳 2、疲劳失效的特点、疲劳失效的特点 二、疲劳裂纹扩展的物理模型二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程、疲劳失效过程 2、几种物理模型、几种物理模型 3、疲劳裂纹扩展
3、的力学行为与特征、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征 一、疲劳概念一、疲劳概念 1、疲劳、疲劳 材料或构件在交变应力材料或构件在交变应力(应变应变)作用下发生的破坏称为作用下发生的破坏称为疲疲劳破坏或疲劳失效劳破坏或疲劳失效。影响构件疲劳行为的因素很多，可以分为四类：材料、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。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。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对于金属材料，通常把疲劳失效周次Nf104105的疲劳称的疲劳称为为高周疲劳高周疲劳，反
4、之称为，反之称为低周疲劳低周疲劳；若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳恒幅疲劳，否则则，否则则为为变幅疲劳变幅疲劳；由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳腐蚀疲劳；温度高于再结晶温度或高于温度高于再结晶温度或高于(0.50.6)Tm时的疲劳，属于时的疲劳，属于高温疲劳高温疲劳，Tm为金属的熔点；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，称为热疲劳热疲劳；低温影响材料的疲劳行为，还没有关于低温疲劳的确切定义；低温影响材料的疲劳行为，
5、还没有关于低温疲劳的确切定义；应变速率大于应变速率大于102/s的疲劳问题属于的疲劳问题属于冲击疲劳冲击疲劳。2、疲劳失效的特点、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。料屈服强度下发生。(2)疲劳破坏宏观上无塑性变形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，具有多阶段性疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性 疲劳失效过
6、程是累积损伤的过程。由交变应力疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力(应变应变)作用作用引起的损伤是随着载荷次数逐次增加的，如图引起的损伤是随着载荷次数逐次增加的，如图12.3所示所示:图图12.3 碳钢的疲劳积累损伤曲线碳钢的疲劳积累损伤曲线(4)与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组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。件材料表面的缺陷处发生。(5)疲劳失效受载荷历程的影响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过载损伤会导致疲劳
7、强度的下降(如图如图12.3所示所示)图图12.4为钢的拉伸为钢的拉伸应力应变曲线，加载到应力应变曲线，加载到A点卸载再重新加载，点卸载再重新加载，其抗拉强度其抗拉强度 b与末卸载与末卸载的相同，即未受到载荷的相同，即未受到载荷史的影响。史的影响。图图12.4 工程应力应变曲线工程应力应变曲线 一定的过载也可能一定的过载也可能延缓疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳寿命，如图延长疲劳寿命，如图12.5所示。所示。图图12.5 过载引起疲劳裂纹扩过载引起疲劳裂纹扩展延滞效应展延滞效应 二、疲劳裂纹扩展的物理模型二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程、疲劳失效过程 疲劳裂纹的扩展，一
8、般疲劳裂纹的扩展，一般可分为三个阶段，如图可分为三个阶段，如图12.6所示。所示。图图12.6 da/dN K曲线及其曲线及其微观机制示意图微观机制示意图 Kth疲劳门槛值；疲劳门槛值；Kc最终断裂强度因子；最终断裂强度因子；K应力强度因子幅值。应力强度因子幅值。整个扩展过程可以近似地以整个扩展过程可以近似地以“s”形曲线来描述：形曲线来描述：A段为第一阶段，段为第一阶段，K小，扩展速率低，小，扩展速率低，da/dNl0-6mm/次，为非连续区，呈现一种结晶学形态的断口；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，段为第二阶段，da/dN10-5mm/次，为连续扩展区，次，为连续
9、扩展区，断口形态以疲劳条纹为主；断口形态以疲劳条纹为主；C段为第三阶段，段为第三阶段，da/dN10-3mm/次，为失稳扩展区，次，为失稳扩展区，断口形态以断口形态以“韧窝韧窝”(dimple)、晶间断裂或纤维状为主。、晶间断裂或纤维状为主。2、几种物理模型、几种物理模型 根据疲劳断口表面与应力轴的相对位向，裂纹扩展可分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为切应变型(第一阶段扩展第一阶段扩展)和正应变型和正应变型(第二阶段扩展第二阶段扩展)两种。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
10、型，见表类：滑移型、钝化型和再生核型，见表12.1：3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征（1）疲劳极限与疲劳门槛值）疲劳极限与疲劳门槛值 (Endurance Limit and Fatigue Thresholds)疲劳极限是疲劳曲线水平部分所对应的应力，疲劳极限是疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材料经受无限多次应力循环而不断裂的最大它表示材料经受无限多次应力循环而不断裂的最大应力。应力。疲劳门槛值是疲劳裂纹不扩展的疲劳门槛值是疲劳裂纹不扩展的 K最大值。最大值。图图12.8 缺口试件中的应力缺口试件中的应力/应变场和疲劳裂纹萌生与扩展区示意图应变场和疲劳裂纹萌
11、生与扩展区示意图 a 缺口试件中应力缺口试件中应力/应变场简图应变场简图 b 光滑、缺口疲劳极限光滑、缺口疲劳极限 N与门槛值与门槛值 Kth的相互关系的相互关系 图中：图中：max为最大应力；为最大应力；0与与 N为光滑与缺口疲劳极限；为光滑与缺口疲劳极限；Kth为疲劳门槛值；为疲劳门槛值；Kt为应力集中系数。为应力集中系数。Lukas导出缺口与光滑试件疲劳极限导出缺口与光滑试件疲劳极限 N与与 0的关系：的关系：式中：式中：Kt为应力集中系数；为应力集中系数；Katb为基本门槛值，等于为基本门槛值，等于 ；为缺口半径；为缺口半径；c为临界应力。为临界应力。2114.110catbtNKKt
12、hK21 疲劳极限与疲劳门槛值分别反映了交变疲劳极限与疲劳门槛值分别反映了交变载荷作用下材料对裂纹萌生和裂纹扩展的抵载荷作用下材料对裂纹萌生和裂纹扩展的抵抗力。因为裂纹的萌生与扩展的机制不同，抗力。因为裂纹的萌生与扩展的机制不同，对于现有的金属材料，在使疲劳极限提高的对于现有的金属材料，在使疲劳极限提高的同时往往降低了疲劳门槛值，反之亦然。同时往往降低了疲劳门槛值，反之亦然。（2）小疲劳裂纹的扩展）小疲劳裂纹的扩展行为行为 在与长裂纹相同的在与长裂纹相同的名义驱动力下，小裂纹名义驱动力下，小裂纹扩展较快；在长裂纹的扩展较快；在长裂纹的门槛值之下，小裂纹仍门槛值之下，小裂纹仍以较高的速率扩展，见
13、以较高的速率扩展，见图图12.9。图图12.9 典型的小裂纹与长裂典型的小裂纹与长裂纹扩展行为示意纹扩展行为示意 小裂纹现象主要出现在下述三种情况：小裂纹现象主要出现在下述三种情况：裂纹长度与材料的特征微观尺寸相比裂纹长度与材料的特征微观尺寸相比不够大；不够大；裂纹长度与裂纹尖端前方的塑性区尺裂纹长度与裂纹尖端前方的塑性区尺寸相比不够大；寸相比不够大；裂纹长度小于某一值。裂纹长度小于某一值。（3）裂纹闭合行为）裂纹闭合行为 裂纹闭合现象是指疲劳裂纹在外加拉应力作用裂纹闭合现象是指疲劳裂纹在外加拉应力作用下，裂纹张开位移仍为零的状态。下，裂纹张开位移仍为零的状态。一般认为裂纹闭合的机制有三种：一
14、般认为裂纹闭合的机制有三种：塑性诱发塑性诱发(Plasticity-Induced)闭合闭合 氧化物诱发氧化物诱发(Oxide-Induced)闭合闭合 粗糙度诱发粗糙度诱发(Roughness-Induced)闭合闭合 （图（图12.7）图图12.7 裂纹闭合的三种形式裂纹闭合的三种形式 Elber根据实验观察到的裂纹闭合现象提出了有效应力根据实验观察到的裂纹闭合现象提出了有效应力强度因子的概念，定义为强度因子的概念，定义为：式中：式中：最大应力强度因子；最大应力强度因子；裂纹完全张开时对应的应力强度因子；裂纹完全张开时对应的应力强度因子；有效应力强度因子。有效应力强度因子。即裂纹扩展的有效
15、驱动力。通过即裂纹扩展的有效驱动力。通过 可以解释可以解释应力比应力比R对裂纹扩展速率的影响。如图对裂纹扩展速率的影响。如图12.10所示。所示。opeffKKKmaxmaxKopKeffKeffKeffK 图图12.10 a裂纹闭合应力强度因子裂纹闭合应力强度因子 /与与 的变化的变化 b 裂纹扩展速率与裂纹扩展速率与 和和 的关系的关系 clKmaxKKeffKK（4）变幅载荷下的裂纹扩展）变幅载荷下的裂纹扩展 超载下的延缓效应超载下的延缓效应(Retardation effect)图图12.11 不同形式的超载对裂纹扩展及寿命的影响不同形式的超载对裂纹扩展及寿命的影响 可以看出可以看出:
16、单个拉应力超载和压单个拉应力超载和压-拉超载对疲劳拉超载对疲劳裂纹扩展具有最大的延缓效应；而拉裂纹扩展具有最大的延缓效应；而拉-压超载较前二压超载较前二者的延缓效应为小；单个压缩超载对裂纹扩展速率者的延缓效应为小；单个压缩超载对裂纹扩展速率影响不大。影响不大。超载后产生裂纹扩展延缓效应的主要因素有三超载后产生裂纹扩展延缓效应的主要因素有三个：个：a、裂纹尖端前方超载塑性区内的残余压应力、裂纹尖端前方超载塑性区内的残余压应力阻止裂纹的延伸；阻止裂纹的延伸；b、裂纹尖端后方的闭合效应阻止裂纹张开；、裂纹尖端后方的闭合效应阻止裂纹张开；c、裂纹尖端前方超载塑性区内晶体缺陷密度、裂纹尖端前方超载塑性区
17、内晶体缺陷密度的增加进一步阻止裂纹的延伸。的增加进一步阻止裂纹的延伸。1989年年McEvily等对等对100超载下的铝合金延超载下的铝合金延缓效应作了定量分析，发现延缓周次与超载塑性区缓效应作了定量分析，发现延缓周次与超载塑性区尺寸和试样厚度的比值呈尺寸和试样厚度的比值呈U形变化关系，见图形变化关系，见图12.12。图图12.12 延缓周次（延缓周次（Nd）随超载（）随超载（OL）塑性区尺寸与试样厚度比值的变化）塑性区尺寸与试样厚度比值的变化 导出的延缓周次关系式为导出的延缓周次关系式为：式中：式中：A 为试验常数；为试验常数；为屈服强度；为屈服强度；为超载应力强度因子；为超载应力强度因子；E.C.为为“过度闭合过度闭合”(Excess Closure)，可用，可用下式表示：下式表示：222)(1).(1ththyOLdKKKCEKAKNyOLK2.1222exp16.0.BKKCEyOLOL变幅载荷下裂纹扩展特征变幅载荷下裂纹扩展特征 在变幅加载下的裂纹扩展速率和恒幅加在变幅加载下的裂纹扩展速率和恒幅加载下的扩展速率不同。除上述超载延缓效载下的扩展速率不同。除上述超载延缓效应外，裂纹扩展还会出现停滞或加速。应外，裂纹扩展还会出现停滞或加速。
