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1、第十二章 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，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，叫做静载延迟断裂，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 占构件全部失效的5090。 12.1 疲劳 12.2 低温断裂与疲劳12.3 高温蠕变与疲劳 12.4 环境断裂氢脆 12.1 疲 劳 一、疲劳概念1、疲劳 2、疲劳失效的特点 二、疲劳裂纹扩展的物
2、理模型1、疲劳失效过程 2、几种物理模型 3、疲劳裂纹扩展的力学行为与特征 一、疲劳概念 1、疲劳 材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏称为疲 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、 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。对 于金属材料，通常把疲劳失效周次Nf104105的疲劳称为 高周疲劳，反之称为低周疲劳；若每个周期内的载荷参量不随时间而变化，称为恒幅疲劳，否则则 为变幅疲劳；由变动的外载荷与腐蚀介质共同作用的疲劳为腐蚀疲劳；温度高于再结晶温度或高于(0.50.6)Tm时的疲劳，属于高温疲劳， Tm为金属的熔点
3、；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；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；应变速率大于102/s的疲劳问题属于冲击疲劳。 2、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。(2) 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 。(3) 疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性 疲劳失效过程是累积损伤的过程。由交变应力(应变)作用引 起的损伤是随着载荷次数逐次增加的，如图12.3所示 :图12.3 碳钢的疲劳积累损伤曲线(4) 与单向静载断裂相比，疲劳
4、失效对材料的微观组 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 件材料表面的缺陷处发生。(5)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(如图12.3所示) 图12.4为钢的拉伸应力应变曲线，加载到 A点卸载再重新加载， 其抗拉强度b与末卸载 的相同，即未受到载荷 史的影响。 图12.4 工程应力应变曲线 一定的过载也可能 延缓疲劳裂纹的扩展， 延长疲劳寿命，如图 12.5所示。 图12.5 过载引起疲劳裂纹扩 展延滞效应 二、疲劳裂纹扩展的物理模型 1、疲劳失效过程 疲劳裂纹的扩展，一般 可分为三个阶段，如图12.6 所示。 图12.6 da/dNK曲线及其 微观
5、机制示意图Kth疲劳门槛值；Kc最终断裂强度因子；K应力强度因子幅值。 整个扩展过程可以近似地以“s”形曲线来描述： A段为第一阶段，K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；B段为第二阶段，da/dN10-5mm/次，为连续扩展区，断口形态以疲劳条纹为主；C段为第三阶段，da/dN10-3mm/次，为失稳扩展区， 断口形态以“韧窝”(dimple)、晶间断裂或纤维状为主。 2、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 为切应变型(第一阶段扩展)和正应变型(第二阶段扩展)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 类
6、：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 （1）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， 它表示材料经受无限多次应力循环而不断裂的最大 应力。疲劳门槛值是疲劳裂纹不扩展的K最大值。 图12.8 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 a 缺口试件中应力/应变场简图b 光滑、缺口疲劳极限N与门槛值Kth的相互关系 图中：max为最大应力； 0与N为光滑与缺口疲劳极限；Kth为疲劳门槛值；Kt为应力集中系数。 Lukas导出缺口与光滑试件疲劳极限N与
7、0的关系：式中：Kt为应力集中系数；Katb为基本门槛值，等于 ；为缺口半径；c为临界应力。 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 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 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 行为 在与长裂纹相同的 名义驱动力下，小裂纹 扩展较快；在长裂纹的 门槛值之下，小裂纹仍 以较高的速率扩展，见 图12.9。 图12.9 典型的小裂纹与长裂 纹扩展行为示意 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 不够大；裂纹长度与裂纹尖端前方的塑性区尺 寸相比不
8、够大；裂纹长度小于某一值。 （3）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 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：塑性诱发(Plasticity-Induced)闭合氧化物诱发(Oxide-Induced)闭合粗糙度诱发(Roughness-Induced)闭合（图12.7） 图12.7 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 强度因子的概念，定义为 ：式中： 最大应力强度因子；裂纹完全张开时对应的应力强度因子；有效应力强度因子。 即裂纹扩展的有效驱动力。通过 可以解释 应力比R对裂纹扩展速率的影响。如图12.10所示。 图1
9、2.10 a裂纹闭合应力强度因子 / 与 的变化 b 裂纹扩展速率与 和 的关系 （4）变幅载荷下的裂纹扩展 超载下的延缓效应(Retardation effect) 图12.11 不同形式的超载对裂纹扩展及寿命的影响 可以看出:单个拉应力超载和压-拉超载对疲劳 裂纹扩展具有最大的延缓效应；而拉-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 影响不大。 超载后产生裂纹扩展延缓效应的主要因素有三 个：a、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；b、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 的增加进一步阻止裂纹的延伸。 1989年Mc
10、Evily等对100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 尺寸和试样厚度的比值呈U形变化关系，见图12.12 。图12.12 延缓周次（Nd）随超载（OL）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 ：式中： A 为试验常数；为屈服强度；为超载应力强度因子；E .C.为“过度闭合”(Excess Closure)，可用下 式表示：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。 12.2 低温断裂与疲劳 低温致脆的最大特点是存在某一特定的温度范 围，在此温度范围以上的断裂是韧性断
11、裂，不显示 脆性断裂的特征；低于此温度范围，为无韧性特征 的脆性断裂；在此特定温度范围内的断裂，则显示 韧-脆过渡形态，同时具有不同程度的韧性和脆性的 断裂特征。这种现象称为冷脆。而材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度TK称 为韧-脆转化温度，或冷脆转化温度。 一、韧-脆转化理论1、韧-脆转化的物理本质 2、Stroh的韧-脆转变温度理论 3、韧-脆转化的Cottrell模型-Petch屈服理论解释 二、低温疲劳 一、韧-脆转化理论 1、韧-脆转化的物理本质 金属材料的韧-脆转化过程 ：图12.14 F、S、SK随T、V和 的变化 可见：解理断裂应力F基本上不随温度变化 ，而屈服点S和韧性断裂应
12、力SK则随温度升高而 急剧降低并与F曲线存在交点。图中A点以下为无塑性变形的解理断裂，相 当于夏比系列冲击试验的下平台。A点对应的温 度即为韧-脆转化温度TK。B点以上为经过塑性变形的纤维撕裂，相当 于夏比冲击试验曲线的上平台。AB之间为经过塑性变形之后的解理断裂，为 韧-脆转化过程。 一般用位错的运动解释上述现象。 2、Stroh的韧-脆转变温度理论 Stroh的韧-脆转变温度理论认为，金属中的 应力集中可能导致两种结果：其一是激活附近的F-R源产生韧性断裂； 其二是产生微裂纹导致脆性断裂。韧-脆转变就是这两种机制竞争的结果。 F-R源保持不被激活，发生脆断的几率表达式：或式中：p为某温度下
13、，t时间内，位错不被激活而发生脆断的几率；为位错振动频率；k为波耳兹曼常数；U()为激活被钉扎的F-R源需要的激活能；T为材料所处的温度。 可见：由于双对数的关系，随着温度T的 升高，p值将很快从1变到0，这就表明了韧-脆转变是发生在很狭窄的温度范围内 。3、韧-脆转化的Cottrell模型-Petch屈服理论解释 根据Cottrell模型，材料的屈服强度为 利用Hal1-Petch关系：y=i+Kyd-1/2 解理断裂时，解理断裂应力F=y。而脆断的 临界条件为T=TK，则可以推导出TK表达式： 式中：TK为冷脆转化温度；d为晶粒平均直径；G为材料的切变模量；为材料的比表面能；为应力状态系数
14、；为Hall-Petch关系式的斜率；是Cottrell模型中的系数；B、C为常数，可通过试验确定。可见，冷脆转化温度TK主要取决于材料晶粒的大小d、比表面能和 应力状态。此外还与系数 、 和B、C两个常数等因数有关。 温度降低和变形速度增加使i和Ky增大，因而引起脆化。 二、低温疲劳 （1）温度降低，光滑试样的疲劳极限明显提高 （2）材料在低温下的疲劳缺口系数增大结论：把常温下测得的疲劳强度用于低 温零件设计一般是安全的，但是材料在低温 下疲劳缺口敏感性提高，因此低温下更要注 意处理好应力集中问题。对于BCC和HCP等存在韧-脆转化的材料 ，疲劳强度也有韧-脆转化的问题。 12.3 高温蠕变
15、与疲劳 很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空 发动机叶片的使用温度高达1000，用Cr-Mo-V钢 制造的汽轮机转子使用温度约为550等。高温对金属材料的力学性能影响很大。温度和时间还影响金属材料的断裂形式。 一、高温蠕变1、蠕变现象和蠕变曲线 2、蠕变极限和持久强度 3、蠕变断裂 4、蠕变断裂机制图 二、高温疲劳 一、高温蠕变 1、蠕变现象和蠕变曲线 当温度T(0.30.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材 料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称 为蠕变。相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。 金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。 图12.16 典型蠕变曲线 oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变0，不 属于蠕变； 曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的， 称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕 变速率，用 表示。根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为 三个阶段： ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐 渐减小，故又称为减速蠕变阶段；bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕 变阶段，即其蠕变速率保持恒定；蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急 剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。 蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料 和试验条件而变化。如图12.17所示 ：图12.17 应力和温度对蠕变曲线影响示意图a）等温曲线（4321）
