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。
一、 材料疲劳裂纹扩展研究现状
许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、 短裂纹的定义
短裂纹的定义有两种
其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;
其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short
crack，PSC) 行为。主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、 短裂纹萌生机理
关于短裂纹的形成有三种解释：
第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
材 料 的 疲 劳 性 能
一、疲劳破坏的变动应力
材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称 为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上 的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力(或称循环应力)和无规则随 机变动应力两种。
1、 表征应力循环特征的参量有：
① 最大循环应力：C max；
② 最小循环应力：C min ；
③ 平均应力： C m=(C max+ C min) /2 ;
④ 应力幅C a或应力范围AC： △ C = C max- C min , C a=Ac /2=( C max- C min )/2 ;
⑤ 应力比(或称循环应力特征系数)：r= C min/ C max。
2、 按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为：
① 对称循环：C m=(C max+ C min) /2 = 0,「=-1 ,大多数旋转轴类零件承受此类 应力；
② 不对称循环：C mH 0, -1 C m>0, -1
③ 脉动循环：C m= C a>0, r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。 C m= C
a<0, r= X,轴承承受脉动循环压应力；
④ 波动循环m>° a, 0
⑤ 随机变动应力：循环应力呈随机变化，无规律性，如运行时因道路或者云 层的变化，汽车、拖拉机及飞机等的零件，工作应力随时间随机变化。
二、疲劳破坏的概念和特点
1、 疲劳破坏概念
在变动应力作用下，材料内部薄弱区域的组织逐渐发生变化和损伤累积、 开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开 始的损伤积累，最终引起整体破坏的过程。
疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂， 其断裂应力水平往往低于材料抗拉 强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳 断裂寿命随循环应力不同而改变。应力高，寿命短；应力低，寿命长。当应力 低于材料的疲劳强度时，寿命可无限长。
1 第三部分 疲劳断裂
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。
疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。
§3-1疲劳的基本概念
在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。
一、应力疲劳和应变疲劳
1、应力疲劳
在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。
2、应变疲劳
在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。
二、疲劳强度和疲劳极限
1、乌勒（Wöhler）疲劳曲线
（1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（Wöhler）疲劳曲线。
（2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系
（3）图示（略）
2、疲劳强度（条件疲劳极限）
（1） 疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳强度（σr）
（2） σr =f（N） σr对应σmax，一般N<107
3、疲劳极限
（1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限
（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线 2 三、应力循环特性
