金属材料疲劳裂纹萌生机理与扩展规律概述
摘 要：在飞行器结构中，如机翼与机身连接、发动机和发动机吊架连接等重要连接区的连接结构往往会因为受到严苛的循环载荷而萌生疲劳裂纹，随着疲劳裂纹逐渐扩展，最终导致结构发生断裂失效。本文根据部分文献和相关书籍，对金属材料的疲劳裂纹萌生机理和扩展规律进行了梳理，结论表明影响裂纹萌生与裂纹扩展的主要参量、裂纹扩展不同阶段的扩展方向均有不同。
关键词：循环滑移；裂纹萌生；裂纹扩展；
对于飞行器结构，疲劳裂纹是导致结构失效最主要且最危险的损伤形式之一[1]。疲劳裂纹作为一种常见的机械损伤失效模式，约占总失效的50%~90%[2]。在交变载荷、腐蚀环境等作用下，尽管结构的最大工作应力低于材料强度，但是经过一定的服役时间后，结构仍然会萌生疲劳裂纹并逐步扩展。出现在大梁减轻孔、机身蒙皮、机翼机身接头等关键部位的疲劳裂纹会严重削弱结构的承载能力，其失稳破坏甚至会导致灾难性事故的发生。因此研究飞行器结构的疲劳裂纹损伤萌生及扩展机理，准确地预测结构的疲劳寿命具有十分重要的工程意义。
1 疲劳裂纹的萌生和扩展规律[3]
金属结构材料在循环载荷作用下的疲劳损伤演化过程可以分为两个阶段：宏观裂纹萌生阶段和宏观裂纹扩展阶段，两个阶段的区别在于影响疲劳行为的因素不同。在宏观裂纹萌生阶段，控制裂纹萌生的重要参量是应力集中系数K1，而控制宏观裂纹扩展的参量则是应力强度因子K。从图1中可以看出，宏观裂纹萌生阶段可以细分为两个子阶段：一是微裂纹形核阶段；二是微裂纹扩展阶段，即微裂纹因扩展或相互作用而聚集合并，形成“主导”宏观裂纹的过程。微裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段的交点通常认为是裂纹萌生与扩展的分界线，但实际上这个临界点的精确定义是无法定量描述，一般定性地认为：当微裂纹扩展不在依赖于自由表面状况时，裂纹萌生阶段结束。
图1 疲劳损伤演化[4]
1.1 疲劳裂纹的萌生
在很多情况下，裂纹萌生寿命占到疲劳寿命相当大的一部分，例如在高周疲劳中裂纹萌生寿命占总寿命的80%~90%，在超高周疲劳中裂纹萌生寿命可占到总寿命的99%，因此裂纹萌生阶段在整个金属材料疲劳过程中占有极为重要的地位。
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学习好帮手 材料疲劳裂纹扩展研究综述
摘 要: 疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型，并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。发展相关理论和方法，正确认识影响机理，科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是人们追求的目标。指出了常用理论的不足，对新的研究方法进行了论述。
关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展
1 前 言
19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。
经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析
(1967年) ，Elber的裂纹闭合理论(1971年) ，Wheeler 等的超载迟滞模 完美格式整理版
字木交流 理论，研发，设计，铆遁 劳裂纹扩展影响机理方面的研究和相关理论。 ２疲劳裂纹扩展的规律 疲劳裂纹在扩展过程中一般可分为三个阶段：近门 槛值阶段、高速扩展阶段（Ｐａｒｉｓ区）和最终断裂阶段。在 近门槛扩展阶段，疲劳裂纹的扩展速率很小，疲劳裂纹扩 展速率随着应力强度因子范围ＡＫ的降低而迅速下降， 直至ｄａ／ｄＮ－－－￣０，与此对应的ＡＫ值称为疲劳裂纹扩展门 槛值，记为△Ｋ ］；在Ｐａｒｉｓ区，疲劳裂纹扩展速率可以用 Ｐａｒｉｓ ｃ 公式来定量地进行描述。 ａｏｉａ￣ｖ＝Ｃ（ａＫ） （１） 其中，ｃ和ｍ是试验确定的常数。在高速扩展区，随着ＡＫ 的提高，裂纹扩展速率升高，当疲劳循环的最大应力强度 因子Ｋ一接近材料的 时，裂纹扩展速率急剧增加，最 终导致构件断裂…。 疲劳裂纹扩展一般由疲劳裂纹扩展速率ｄＪｄＮ表 征，即在疲劳载荷作用下，裂纹长度ａ随循环次数Ⅳ的变 化率，反映裂纹扩展的陕慢。疲劳裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ的控 制参量是应力强度因子幅度ＡＫ，表示材料的疲劳性能 ］。 研究疲劳裂纹的扩展规律一般通过两种途径：一是 过实验室观察，根据实验结果直接总结出裂纹扩展规律 的经验公式；二是结合微观实验研究提出裂纹扩展机理 的假设模型，推导出裂纹扩展规律的理论公式。疲劳裂纹 扩展规律的研究，主要是寻求裂纹扩展速率ｄ￣＇ｄＮ与各有 关参量之间的关系。 ３疲劳裂纹扩展影响因素 ３． 残余应力对疲劳裂纹扩展的影响 残余应力模型认为，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，已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，许 多人在这方面都做过研究，其中达成共识的是，残余压应 力使疲劳裂纹的扩展减缓。 熊健民Ｅ６］从两方面分析了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 扩展驱动力降低。 ３．２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，Ｗｈｅｅｌｅ｛ 认为过载 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。提出了一个考虑超载迟滞效应的计算 （ ） ｃｎ （２） 式中，（ｄＷｄＮ） 为减缓了的裂纹扩展速率，ｄＪｄＮ为没有 超载作用时的裂纹扩展速率。Ｃ 反映停滞效应的延缓参 ．廿 、 ５（卫）ｎ，ｎ＋Ｒ１＜ 数，其值为： ｃＲ：＝｛ ａｐ－ａ一 ’ ｝１，ａ＋Ｒｙ＞ａｐ ６ 机械工程师２０１１年第８期 其中： 为恒定引起的塑性区，％为弹性区与塑性区的交 界面的位置。Ｅｌｂｅｒ提出了埃尔伯（Ｅｌｂｅｒ）模型，ＡＫ ＝ Ｕ＆Ｋ，其中， 旦 ： ，式中，ｏｒ 为裂纹开始张应力。得 ｍ 一盯ＩＩｕｎ ‘ 到Ｅｌｂｅｒ公式： （ ｏａ）Ｒ＝Ｃ（ＡＫ ） （３） （１１Ｖ Ｅｌｂｅｒ认为施加过载时，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△Ｋ 比实际外加值ＡＫ 小，所以延缓裂纹扩展速率。 国内关于超载对疲劳裂纹扩展影响的研究很多来自 西北工业大学，郑修麟陋 根据对ＬＹ１２～ＣＺ铝合金的疲劳 裂纹起始超载效应的实验研究，提出了完善的疲劳裂纹 起始寿命表达式和新的疲劳裂纹起始寿命估算方法。 李亚智 进行了有机玻璃疲劳裂纹超载迟滞效应的 试验研究，研究表明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。 孙国刚㈣对模拟容器的内压疲劳裂纹扩展试验，在 压力容器上应用超载迟滞效应，试验表明压力容器１．５倍 的小超载，迟滞效应也是相当明显的，可使带有２０ｒａｍ左 右裂纹的试验容器寿命提高约８０％。 朱子新 研究了超载对４０ＣｒＮｉ２Ｓｉ２ＭｏＶＡ超高强度 钢冲击疲劳裂纹起始寿命的影响。结果表明，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，而超载造 成的材料性能变化对超载效应的贡献不大。 邹小理 考虑超载的迟滞效应，对随机超载作用下的 疲劳裂纹扩展进行了模拟计算。采用裂纹闭合模型考虑超 载的迟滞效应，认为裂纹张开应力在超载引起的塑性区内 按线性规律衰减。循环续循环模拟计算出裂纹从初始长度 一直到疲劳破坏的扩展曲线。据此，计算了各种超载发生 强度和大小下的疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。 国内的超载对疲劳裂纹的影响的研究主要集中在实 验研究上［１３－１５］，理论方面有所欠缺。 ３．３温度对疲劳裂纹扩展的影响 Ｊｅｇｌｉｃ在Ｐａｒｉｓ公式的基础上利用激活能提出了裂纹 扩展速率经验性的Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ型关系式： ｅｘｐ［一旦 ］ （４） Ｕ』 』Ｌ』 其中，Ａ为常数，ｕ（ａＫ）为激活能， 为波尔兹曼常量，功 绝对温度。之后，人们广泛研究了合金钢、铝合金和钛合 金等在温度变化下的裂纹扩展规律。 张芳 对２．２５ＣｒｌＭｏ钢在常温、２００℃、４２０。Ｃ和５００ 下的疲劳裂纹扩展速率进行测试和分析，得到四种温度 下的疲劳裂纹扩展规律；并从机械力学性能和疲劳断口 两个方面分析了钢随温度变化的疲劳裂纹扩展速率的变
疲劳裂纹扩展
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ﻩ不锈钢30４Ｌ的疲劳裂纹扩展模拟
Ｆeiｆei Fan, Sｅrgiy Ｋａlnaus, Yanyao Jianｇ
(美国内华达大学 机械工程学院)
摘 要 :一个基于最近发展的疲劳方法的实验用来预测不锈钢３04L的裂纹扩展。这种疲劳方法包括两个步骤：（１)材料的弹塑性有限元分析；（2）多轴疲劳标准在基于有限元分析的可输出的拉伸实验的裂纹萌生与扩展预测中的应用。这种有限元分析具有这样的特点:能够实现在先进循环塑性理论下扑捉材料在常幅加载条件下重要的循环塑性行为。这种疲劳方法是基于这样的理论:当累计疲劳损伤达到一个特定值时材料发生局部失效，而且这种理论同样适用于裂纹的萌生与扩展。所以，一组材料特性参数同时用来做裂纹的萌生与扩展预测，而所有的材料特性参数都是由平滑试样试验产生。这种疲劳方法适用于I型紧凑试样在不同应力比和两步高低加载顺序下等幅加载的裂纹扩展。结果显示，这种疲劳方法能够合理的模拟在试验上观察到的裂纹扩展行为，包括刻痕影响、应力比的影响和加载顺序的影响。另外,这种还方法能够模拟从刻痕到早期的裂纹扩展和疲劳全寿命，而且预测的结果和试验观察的结果吻合得很好。
关 键 词:累计损伤；疲劳裂纹扩展;疲劳标准
1 .简 介
工程承压设备经常承受到循环加载,一般说来,疲劳过程有三个阶段组成:裂纹萌生和早期裂纹扩展、稳定裂纹扩展和最后的疲劳断裂。裂纹扩展速率dNda/通常被表示为重对数图尺在应力强度因素范围上的一个功能。在常幅加载下,不同应力比时稳定的裂纹扩展结果通常服从Ｐａｒiｓ公式和其修正公式。常幅疲劳加载下不同材料的行为不同。有些材料表现为应力比的影响：在相同应力比时,裂纹扩展速率曲线一致,但是,应力比增大时，裂纹扩展速率也增大。而其他金属材料没有表现出任何应力比的影响,而且在恒幅加载其裂纹扩展速率曲线在重对数图纸上重合。
