疲劳短裂纹萌生与扩展

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。

图5－11
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● 三、 过载持久值及过载损伤界 ●研究意义： ●过去人们一直认为，承受交变载荷作用的机件
按-1确定许用应力是安全的，但是没有考虑特
殊情况。实际上，机件在服役过程中不可避免 地要受到偶然的过载荷作用，如汽车的急刹车、 突然启动等。还有些机件不要求无限寿命，而 是在高于疲劳极限的应力水平下进行有限寿命 的服役。在这些情况下，仅依据材料的疲劳极 限是不能全面准确评定材料的抗疲劳性能的， 所以我们要了解过载持久值和过载损伤界。
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规则周期变动应力（循环应力） 无规则随机变动应力
变动应力如图5－1 所示。
生产中机件正常工作 时，其变动应力多为循 环应力，实验室也容易 模拟，所以研究较多。
应力大小变化
应力大小、方向无规则变化
应力大小、方向都变化
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图5－1 变动应力示意图
σ
r=0 r=–1
r=–∞
1 1
2
2
8
3
3 5 7 9
4
46
5
6
10 12 14
11 13
水平下进行，如图5－8所示。
图5－8 升降法测定疲劳极限示意图
原则是：凡前一个试样达不到规定的循环周次就断裂(用
表示)，则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；若
前一个试样在规定循环周次下仍然未断(用 表示)，则后一个
试样就在高一级应力水平下进行，如此得到13个以上的有效
●本章主要介绍:
● 金制 属。 疲介 劳绍 的估 基算 本裂 概纹 念形 和成 一寿 般命 规的 律方 。法 疲。 劳 失 效 的 过 程 和 机
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第一节疲劳破坏的一般规律

AlSi10Mg(Cu)铸铝合金的热疲劳裂纹萌生及早期扩展行为周航;张峥【摘要】The damage evolution under thermal fatigue loading forAlSi10Mg (Cu) cast alloy on the crack initiation and early propagation stage, mainly focusing on the influence of silicon particles on the thermal fatigue crack behaviour. The results show that, thermal fatigue crack origins from the failure interfaces between debonded silicon particles and matrix, that is because of the difference in thermal expansion coefficient between silicon particles and aluminum matrix, thus leading to the misfit of thermal strain, finally caused cyclic stress on the interfaces with fatigue failure. The propagation of thermal fatigue crack related to the growth on both length and width direction, ductile dendrite hinders the propagation of fatigue crack. The result of simulation analysis about the stress distribution around silicon particles during thermal fatigue is given to help discuss the experiment results.%微观观察AlSi10Mg (Cu) 铸铝合金在热疲劳裂纹的萌生和早期扩展过程, 重点研究共晶硅粒子对热疲劳裂纹行为的影响.结果表明:热疲劳裂纹萌生于脱粘共晶硅粒子与铝基体间的开裂界面, 原因是共晶硅粒子与铝基体的热膨胀系数不同, 引起热循环过程中两相热应变不协调, 从而在两相界面处产生循环应力而引起疲劳破坏.热疲劳裂纹的扩展在长度和宽度上同时进行, 具有良好塑性的铝枝晶对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用.对热疲劳过程中共晶硅粒子周围应力场的模拟分析进一步解释了实验现象.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2019(047)003【总页数】8页(P131-138)【关键词】AlSi10Mg (Cu) 铸铝合金;热疲劳;裂纹萌生;共晶硅粒子【作者】周航;张峥【作者单位】北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TG113.25铝硅系合金具有良好的铸造性能，包括液态较高的流动性、较小的收缩性，且热裂、缩孔和疏松倾向小；同时还具有较好的强度和塑性、比重轻、焊接性好。

0 引言
压力容器及管道等工程构件的疲劳特性通常都 与材料性质 、裂纹起始处的几何条件 、应力 - 应变历 程 、环境条件等因素有关 。构件中的裂纹 ,一般可分 为由拉应力造成的张开型 ( Ⅰ型) 、剪应力造成的滑 开型 ( Ⅱ型) 和撕开型 ( Ⅲ型) 。张开型 ( Ⅰ型) 裂纹是 工程中最常见 、最易于引起断裂破坏发生的裂纹 ,也 是工程研究的重点[1] 。断裂力学是研究具有初始缺
(ΔK) ,求出一组 lg (ΔK) i 和对应的 lg ( d a/ d N ) i , 再
(2) 第 Ⅱ阶段 ( Ⅱ区) :裂纹的稳定扩展阶段 (亚 利用线性回归绘制一条曲线 , 此曲线的斜率为即为
临界扩展阶段) ,其应力强度因子范围大于 ΔKth , 在 m ,代入式 (8) 可求 C[8] 。
数与 Paris 公式相同 。也就是说 , 可以将传统的应力
疲劳问题统一到线弹性断裂力学的计算方法之中 ,
同时 Paris 公式中的材料常数也可通过 S - N 曲线
来估算 ,如果精确度要求不是很高 ,就可以节省为获
取材料常数所必须进行的相关实验[6] 。
2 利用 Paris 公式预测疲劳裂纹扩展寿命的一般过 程
Abstract :The paper has reviewed the Paris law for fatigue crack propagation ,the relationship between the Paris equation and the traditional stress fatigue S - N curve of material ,and the common process of calculating the lifetime for fatigue crack propagation. The general modification and application of the Paris law in engineering is discussed ,and the different forms and characteristics of modification are analyzed and explicated. The modifica2 tion and application in the elastoplastic fracture mechanics and the continuum damage mechanics is briefly in2 troduced. It has been shown that , the appropriate modification forms should be adopted for different problems in engineering. Key words :fatigue crack ;propagation rate ;the Paris law