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1、第章绪论移带名称的来源。驻留滑移带的出现，标志着疲劳损伤已经开始。电镜观察表明，驻留滑移带的位错结构是由一些刃位错组成位错墙，位错墙的位错密度很高，而位错墙之间的地带，位错密度很低，那里可自由变形，变形几乎都局集在这些地区，这样循环变形的不断重复，在表面形成了许多峰与谷，这就叫做挤出带和浸人沟，很多人认为浸入沟就象很尖锐的缺口，应力集中很高，疲劳裂纹就在该处萌生。（）疲劳裂纹的扩展当在表面形成显微裂纹之后，裂纹萌生阶段便告结束。裂纹扩展分为两个阶段。第一阶段是沿着最大切应力的滑移平面，和拉应力方向成。向前扩展，这时的裂纹在表面原有多处；但大多数显微裂纹较早地就停止扩展，呈非扩展裂纹，只有少数几
2、个可延伸到几十个微米的长度，亦即约个晶粒尺寸的范围。当长度再增加，裂纹便转向和拉应力方向垂直，这就是裂纹传播的第二阶段。在第二阶段通常只有一个裂纹扩展。裂纹从第一阶段向第二阶段转变的快慢，决定于材料和应力幅两个因素。在一般材料中，第一阶段都是很短的，而在一些高强度镍基合金中，第一阶段可长达毫米的数量级，有时甚至只有第一阶段。应力幅较低时，第一阶段便较长。虽然裂纹扩展第一阶段的长度甚短，但扩展速率却非常缓慢，所以在光滑试样中，第一阶段所消耗的循环周次可以占整个疲劳寿命的大部分。相反，在尖锐缺口的试样中，第一阶段则小到几乎可以忽略，整个的疲劳裂纹传播就是第二阶段。裂纹的第一阶段扩展是由切应力分量控
3、制的，而第二阶段则由拉应力控制。在室温和没有腐蚀介质的情况下，疲劳裂纹通常是穿晶的。第二阶段中可观察到疲劳条纹，这是裂纹扩展的直接证明。但有几个概念应该明确：必须把宏观的疲劳断口中显示的海滩状或贝壳状条纹和电子断口金相中观察到的疲劳条纹区别开来。在第一阶段中我们通常看不到疲劳条纹，但这并不等于说疲劳条纹只是第二阶段的固有特征。疲劳条纹在塑性好的材料如铜、铝、不锈钢中可以显示得很清楚，但对高强度钢便不容易看到，或只看到一部分。通常疲劳裂纹传播有两种方式，在塑性材料中显示出疲劳裂纹，在脆性材料中则呈解理台阶。疲劳条纹明显地取决于试验环境。第章绪论在塑性材料中，疲劳裂纹的传播一般都引用的裂纹张开一钝
4、化一变锐的模型，如图所示。？，半一丰乇一，丰乇一霸纛图卜疲劳裂纹扩展模型的示惹过程图中（），在交变应力为零时裂纹闭合，这是在开始一循环周次时的原始状态。当拉应力增加，图（），裂纹张开，在裂纹尖端沿最大切应力方向产生滑移。随着拉应力继续增大到最大值时，图（），裂纹张开至最大，塑性变形的范围也随之扩大，图中两个同号箭头之间的距离，即表示裂纹尖端的塑性变形范围。由于塑性变形的结果，裂纹尖端的应力集中减小，裂纹尖端钝化。理想状态是假定裂纹尖端张开呈半圆形，这时裂纹便停止扩展。当应力变为压缩应力时，滑移方向也改变了，裂纹表面逐被压缩，见图（）。到压缩应力为最大值时，见图（），裂纹便完全闭合，又恢复到原始
5、状态。循环一周中裂纹扩展的距离，便是裂纹扩展的速率。从图中可以看出，裂纹扩展主要是在拉应力的半周内，在压应力下裂纹是很少扩展的。（）疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率是指力循环一次的疲劳裂纹扩展量。我们通常用三点弯曲单边切口试样，在固定应力条件下测定疲劳裂纹扩展速率。先对试样表面进行抛光，然后借装置在高频疲劳试验机上的显微镜，直接读出经过一定循环周次时的裂纹长度，作出和的关系曲线，如图。第章绪论图卜应力水平与裂纹长度对裂纹扩展速率的影响由图可见，裂纹扩展速率和应力水平及裂纹长度有关。年首先把断裂力学引入了疲劳裂纹的扩展，并认为扩展速率受控于裂纹尖端的应力强度因子幅度，壬。得出的关系式可表达为式中
6、与均为与材料有关的常数，通常在之间。的这一发现，在随后的许多学者的重复试验中得到了验证。同时，试验表明，随循环屈服强度。和循环应变硬化指数的增加而减小。更仔细地研究疲劳裂纹扩展速率，发现和的关系曲线可分成三个阶段（图），方程所表示的只是裂纹扩展的第二阶段，在双对数的坐在双对数的标中这一阶段为直线关系。在裂纹扩展的第一阶段中，当小于某一临界值时，疲劳裂纹不扩展，叫作疲劳门槛值。当蝎时裂纹扩展较快，很快进入第二阶段。在第一阶段中，应力比、显微组织、环境的影响很大。在裂纹扩展的第二阶段，其扩展速率受应力比、组织类型和环境的影响很小。当过渡到第三阶段，裂纹又加速扩展，当。达到。时试样就断裂了。这一阶段
7、受应力比、组织和断裂韧性的影响较大。一：澉第章绪论非连续机嗣大的影响显微组织平均应力环境：小的影响：显截组织：厚度坠裂：自（酞；。圈大的影响显微组织，平均应力厚度图疲劳裂纹扩展速率曲线研究疲劳裂纹门槛值在理论上和实际工程应用上都是有意义的。十分明显，一般的机械零件和工程构件是不会以，来作为设计指标的。因为战哺数值很低，如以厶来作为设计标准，这无疑是要求工作应力很低或者容许的裂纹尺寸很小。疲劳门槛值除了因应力比的增加而减小外，还和组织有关。金属材料疲劳的研究现状影响金属材料疲劳性能的因素在研究影响疲劳性能的因素方面，弘曾经提出过一个等到的图像来反映这些因素，如图所示。这么多的因素交织在一起，使疲
8、劳分析和寿命预测变得非常困难，但一般可以分为材料本质、零件状态和工作条件等三个方面。材料本质方面的因素有化学成分、显微金相组织、静强度和内部有无缺陷等。零件状态方面的因素有表层残余应力、应力集中、尺寸效应、表面状况等。工作条件方面的因素有应力振幅、循环应力比、载荷顺序、氛围等。第章绪论图影响疲劳性能的因素（）屈服强度与疲劳强度关系众所周知，材料的疲劳性能高低与材料表层产生滑移的难易有密切关系，而滑移的难易程度取决于材料的屈服强度。因此，屈服强度与疲劳强度有更直接的关系。图所示为铁基合金的屈服强度与疲劳强度极限间的关系。鼍爱并越愚铡扛（一“）图卜铁基合金的屈服强度与疲劳强度极限间的关系从这一试验
9、结果可得出疲劳强度极限。与屈服强度。间的数值关系为：扛试验结果还指出，对于同一材料，晶粒越细，其屈服强度越高，疲劳强度也越高。第章绪论（）第二相的影响在高应变循环中，二相粒子在试样中通常是稳定的。二相粒子与基体相结合良好且基体相较强时，其对裂纹扩展影响很小。但是，当二相粒子较大并与基体结合较弱，且在它们周围存在应力集中时，则容易在其周围形成圆洞，导致裂纹扩展速率加快，疲劳寿命缩短。而在低应变循环时，在裂纹前进区域内，二相粒子与基体相的交界面上容易形成裂纹源，使得这些裂纹与主裂纹相连接，导致裂纹扩展速率成倍增加，从而大大降低疲劳寿命。（）基体组织与结构的影响在高应变循环下一些合金（如代位固溶合金
10、）并不变软，这将对裂纹扩展速率产生一定的影响。因为在相同的应力水平下，该合金内每一循环裂纹尖端的变形较小，所以裂纹扩展速度被延缓，疲劳寿命得到延长。而在低应变循环下，裂纹扩展速率随着堆垛层错能的降低和屈服应力的增加将显著降低。堆垛层错能对疲劳裂纹扩展速率影响较大，高堆垛层错能将加速裂纹扩展，对疲劳寿命不利，低堆垛层错能将抑制裂纹扩展，对疲劳寿命有利。对具有高堆垛层错能的金属，晶粒大小对裂纹扩展有影响。在高应变循环下，这类材料裂纹尖端的塑性变形量随着晶粒直径的减小而显著地降低，从而减慢了裂纹扩展速率，对疲劳寿命很有利。而在低应变循环下，许多金属材料的疲劳寿命随着晶粒直径的降低而显著地增加，因为金
11、属材料的屈服应力随晶粒直径的减小而显著地增加，小晶粒试样将具有低的裂纹扩展速率。在低循环应变下，晶界对裂纹扩展将起抑制作用，对疲劳寿命有利。提高铸造鳓合金疲劳性能细化变质处理一般来说，当材料的组织为两相时，除应考虑基体相本身的性能特点外，还应考虑到第二相的数量、大小、形状和分布等因素。对于疲劳极限、静强度高的显微组织如细小的晶粒、一定含量的细小均匀的第二相质点，有利于提高材料的疲劳强度。上世纪年代人们就发现，通过在铸造过程中掺入一定量的变质剂如等，可以改变合金中硅相形态，细化晶粒，从而使合金的疲劳性能大幅度提高。在此之后的几十年里，变质技术不断发展，人们发现了多种新的变质元素和新的变质处理方法
12、。（）（钠）盐变质第章绪论该变质技术最早应用，生产中多采用含的三元或四元盐类混合物的变质剂。生产实践证明，盐变质对共晶合金变质效果好，工艺较成熟，变质效果受氯气或氯盐精炼处理的干扰较小，没有变质处理的潜伏期，且铸件的冷却速度不敏感，因此砂型铸造或金属铸造均适用，使用方便，是当前国内外普遍彩的变质方法【。但是变质的有效时间短，一般砂型仅分钟，不适于大批量、连续生产，重熔即失效。另外，变质剂易吸潮，制备及保存不方便，对坩埚及工具有侵蚀作用，并有过变质行为。变质还造成合金致密性降低。由于这些问题，人们一直在探讨改良变质的方法，或选择更好的变质元素和变质技术，以满足不同铸造生产的需要。（）非盐变质锶（）变质年发现了具有与相似的变质作用。近年来，该变质技术发展较快，应用报道不断增多。研究表明】，的变质作用可持续，无过变质行为，可以反复重熔，无腐蚀作用。随着生产技术的发展和价格的降低，其使用规模不断扩大。但是，变质潜伏期需要分钟以上，并增加合金的吸氢倾向【】，合金易产生缩松，使致密性下降。由于的氯化反应使烧损严重，降低了的变质效果，故忌用氯气或氯盐进行精炼处理，最好采用氮气、氢气或真空除气处理。由于的价格还是较贵，应用受到限制。稀土（）变质、等稀土元素对合金具有良好的变质作用，其变质潜伏期短，变质有效时间
