疲劳破坏机理

疲劳破坏机理
1、定义
材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。

材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。

这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。

疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。

2、疲劳裂纹萌生机理
金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。

通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。

如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。

因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。

构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。

随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加
应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。

这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。

在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。

从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。

随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。

3、疲劳裂纹扩展机理
疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。

在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。

在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。

其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。

此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面(最大拉应力面)内扩展。

裂纹由滑移面向最大拉应力面的转变称为裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展的转变。

随着循环拉应力的增大，裂尖材料由于高度的应力集中而发生塑性屈服，材料沿最大剪应力方向产生塑性滑移。

循环拉应力进一步增大，滑移区扩大使裂尖钝化而呈半圆形，此时裂纹尖端己向前移动。

此后进入卸载循环。

在循环加载时，由于滑移，在裂尖形成一个塑性区，塑性区外的材料只有弹性变形。

卸载后弹性变形要恢复，而裂尖已发生塑性变形的材料却不能协调地收缩，故形成了压缩应力作用在塑性区上。

在裂尖处这种压应力值可以很大，甚至能够超过屈服极限而使裂尖材料发生反向塑性变形，滑移反向，裂纹上下表面间
距离缩小。

但是，加载时裂尖塑性钝化形成的新的裂纹面却不能消失，它将在压应力的作用下屈曲失稳，而在裂尖形成双凹槽形。

最后在循环最大压应力作用下又形成了一个裂纹尖，但长度已经增加了。

下一个循环开始，裂纹又张开钝化扩展锐化，重复上述过程。

这样断口裂纹面上就留下了一条痕迹，即为疲劳条纹。

4、疲劳裂纹的失稳扩展
疲劳裂纹扩展到某临界长度时，将发生失稳扩展而导致迅速断裂。

这一阶段是构件寿命的最后阶段。

失稳扩展由材料韧性，裂纹尺寸和应力水平等因素综合决定。

失稳扩展到断裂这一短暂过程对于寿命的贡献是可以忽略的。

4.1疲劳破坏与静力破坏的本质区别
(1)疲劳破坏是多次重复载荷作用下产生的破坏，它是较长期的交变应力作用的结果。

疲劳破坏往往要经历一定时间，这与静载下的一次破坏不同。

(2)疲劳破坏通常没有宏观显著塑性变形的迹象，即使在静载下表现为韧性的材料，在交变应力作用下，也表现为无明显塑性变形的断裂，与脆性破坏很类似，但前者需要经过一段较长的列为亚临界扩展时间，而后者则高速扩展而突然导致破坏。

(3)疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域:一部分是暗淡光滑区，也即疲劳裂纹发生和扩展区;另一部分是光亮晶粒状区，也即快速断裂区。

在交变荷重作用下，整个疲劳破坏过程，是以构件存在的缺陷
处开始的，对光滑无缺口试样，则由于滑移产生微小裂纹，裂纹起点叫疲劳源。

由于反复的变形，裂纹逐渐扩展，扩展过程中开裂的两个面时而挤紧，时而松离，这样反复摩擦产生了光滑区。

随着裂纹的扩大，剖面削弱越来越厉害，直到材料或构件静强度不足时，即在某载荷作用下，突然断裂，这种突然性的破坏常常使材料的断面呈晶粒状。

在疲劳裂纹的发生、扩展区，往往可借助电子显微镜看到明暗交替相平行的疲劳条痕，条痕的出现是判断疲劳破坏的重要依据。

(4)就疲劳破坏来说，材料组成、构件的形状、尺寸、表面状态、使用环境等因素都是非常敏感的，因此，对同一种材料，同一种试验条件下得到的数据具有相当的分散性，即疲劳抗力具有统计性质。

4.2影响疲劳强度的因素
疲劳破坏总是出现在应力集中的地方。

引起应力集中的原因可分为两类:(1)母材上的开孔或边缘处;(2)焊接部位。

对于前者可直接应用前面介绍的方法进行疲劳强度分析。

但焊接部位的疲劳强度还与其它许多因素有关。

4.2.1定常幅值S一N曲线的问题
在疲劳寿命估算中需要用到S一N曲线。

从理论上来说，这些S 一N曲线应该在相同的载荷谱上进行测量。

但在实际上，所有的S 一N曲线都是在定常应力幅值范围下测量的，而且是用小试件模型测得的。

在这一方面目前还存在如下几个问题:
(1)小试件替代大结构的合理性还没有充分的依据;
(2)试验结果大都集中在N<107范围，而实际应用中有很多处于
N>1了，外推会造成多大的误差;
(3)定常幅值范围的疲劳试验在10“<N<1了范围内存在“门槛值”，而一些随机幅值范围的疲劳试验似乎支持没有“门槛值”的观点，只是斜率有所改变;
(4)过去对疲劳数据的统计描述都采用常方差的对数正态分布形式。

但最近有些数据显示，方差随应力的减少而增加。

4.2.2随机载荷下的问题
随机载荷下的疲劳损伤计算通常基于下列两个假设:①Palmgrne 一Mincr准则;②循环识别方法。

最有效的循环识别法是“雨流计数法”扭ainflowCuontnigMhetdo)。

在这方面存在的问题有:
(1)“雨流计数法”需要模拟随机载荷的整个时间历程，费时太多，如何建立一个简单的方法又能够反映非正态性和带宽的影响是目前的当务之急;
(2)如何处理定常幅值试验中的疲劳门槛值;
(3)周期性过载(Periodicoverload)对累积损伤的影响;
(4)现在一般都假定船舶结构由波浪引起的疲劳应力幅值范围的长期分别服从二参数的W七ibull分布。

这一假定隐含了稳态随机过程。

最近日本的一份研究资料对此提出了质疑，他们认为长期分布可以用W七lbull分布描述，但时间历程是非稳态的。

他们提出了一种新的随机载荷模型(称为风暴模型)用于疲劳强度分析闭，这一研究引起了重视。

4.2.3平均应力的影响
由于历史和现实的原因，人们一直认为应力幅值范围对疲劳累积损伤起主导作用，而平均应力是次要的，甚至可以忽略。

但现在许多疲劳专家已意识到平均应力对累积损伤也有相当大的影响。

正确的处理方法必须要考虑平均应力的影响。

实验证明，平均应力增加时，对于一定循环次数下产生破坏的应力范围要减小，也就是说在非对称循环的交变应力下，如果要求的循环次数一定，增加平均应力结果将导致能承受的交变应力范围的下降。

为了考虑平均应力对疲劳寿命的影响，可把非对称循环时的交变应力转换成相当于对称循环时产生相同疲劳破坏的交变应力，该应力称为当量交变应力。

但对于平均应力的修正公式目前还没有达成共识。

4.2.4残余应力的影响
在焊接处的残余应力通常很高，可能己经达到屈服强度。

过去一直将残余应力当作平均应力来看待。

但现在人们都知道，残余应力在载荷循环过程中是逐步衰减的。

因此，残余应力对累积损伤的贡献远比以前的分析结果要小。

另外，有些残余应力对疲劳强度有增强的效果。

这些问题目前还在研究之中。

4.2.5环境的影响
构件在腐蚀介质中(淡水、海水……)工作时，介质的腐蚀作用在构件表面产生腐蚀坑，形成缺口和应力集中。

当腐蚀坑足够尖锐时就造成高度应力集中从而产生裂纹。

钢的强度越大，腐蚀对疲劳强度影响也愈大。

4.2.6.制造工艺的影响
设计不当，制造工艺不完善等往往引起疲劳裂纹。

疲劳裂纹通常起源于应力集中部位，它是构件几何形状不连续而引起的。

任何构件在形状设计，加工中都存在其种程度不连续性，因而造成局部应力集中。

构件加工过程中形成的表面粗糙度，刻槽等缺陷;在构件内部的缺陷，特别是材料中的夹杂物漪化物、氧化物)等，都是应力集中和疲劳裂纹的萌生地。

夹杂物分布形成一定方向的流线，随钢的强度的提高，其影响也就越明显，还常在流线露头处引发疲劳裂纹。

4.2.7尺度效应
构件尺寸增大时，受交变应力作用，受到损伤的区域大，碰到缺陷多，形成疲劳裂纹源的几率也大，所以大尺寸疲劳极限应随之降低。