金屬材料疲勞破壞的機(jī)理

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一、名詞解釋??1、交變應(yīng)力：構(gòu)件中一點(diǎn)應(yīng)力隨著時(shí)間變化而變化時(shí)，這種應(yīng)力稱為“交變應(yīng)力”；??2、疲勞：在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象，稱為“疲勞失效”或“疲勞破壞”，簡(jiǎn)稱“疲勞”。??疲勞失效與靜載作用下的強(qiáng)度失效，有著本質(zhì)上的差別。在交變應(yīng)力作用下，材料的強(qiáng)度性能則不僅與材料有關(guān)，而且與應(yīng)力變化情況、構(gòu)件的形狀和尺寸，以及表面加工質(zhì)量等因素有著很大關(guān)系。二、疲勞破壞特點(diǎn)??1、破壞應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料在靜載下的強(qiáng)度指標(biāo)。??2、構(gòu)件在確定的應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞破壞需要一個(gè)過(guò)程，即需要一定量的應(yīng)力交變次數(shù)。??3、構(gòu)件在破壞前和破壞時(shí)都沒(méi)有明顯的塑性變形，即使在靜載下塑性很的材料，也特呈現(xiàn)脆性斷裂。??4、同一疲勞破壞斷口，一般都明顯的兩個(gè)區(qū)域：光滑區(qū)域和顆粒區(qū)域。???三、疲勞破壞原因??以多晶體金屬為例，它由很多強(qiáng)弱不等的晶粒所組成，在晶粒邊界上或夾雜物處，強(qiáng)度更弱。在外力作用下，受力較大或強(qiáng)度較弱的晶粒以及晶粒邊界上將出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)的滑移帶。隨著應(yīng)力變化次數(shù)的增加，滑移加劇，滑移帶變寬，最后沿滑移帶裂開(kāi)，形成裂紋。這些最初形成的微裂大都是疲勞破壞的發(fā)源區(qū)，稱為“疲勞源”。??再經(jīng)過(guò)若干次應(yīng)力交變之后，宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，致使構(gòu)件截面削弱，類似在構(gòu)件上作成尖銳的“切口”。結(jié)果，在很低的名義應(yīng)力（不考慮應(yīng)力集中時(shí)算得的應(yīng)力），水平下，構(gòu)件便發(fā)生破壞。

1??裂紋的生成和擴(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它與構(gòu)件的外形、尺寸、應(yīng)力交變的類型，以及構(gòu)件所處的介質(zhì)等因素有很大關(guān)系。??1、應(yīng)力集中對(duì)疲勞極限的影響??在構(gòu)件上截面突變處，如階梯軸的過(guò)渡段、開(kāi)孔、切槽等處，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，即在這些局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力有可能達(dá)到很高數(shù)值。??2、構(gòu)件尺寸對(duì)疲勞極限的影響??構(gòu)件尺寸對(duì)疲勞極限有著明顯的影響，這是疲勞強(qiáng)度問(wèn)題與靜載強(qiáng)度問(wèn)題的重要差別之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)構(gòu)件橫截面上的應(yīng)力非均勻頒布時(shí)，構(gòu)件尺寸越大，疲勞極限越低。??3、構(gòu)件表面加工質(zhì)量對(duì)疲勞極限的影響??粗糙的機(jī)械加工，會(huì)在構(gòu)件表面形成深淺不同的刻痕，這些刻痕本身就是初始裂紋。當(dāng)應(yīng)力比較大時(shí)，裂紋的擴(kuò)展首先從這里開(kāi)始。因此，隨著表面加工質(zhì)量的提高，疲勞極限將增加。表面加工質(zhì)量對(duì)疲勞極限的影響，用“表面質(zhì)量系數(shù)”β度量。我國(guó)以拋光表面質(zhì)量系數(shù)β=1.0為基準(zhǔn)，其余表面加工（磨削、精車、精車等）質(zhì)量系數(shù)均小于1.0。??4、對(duì)稱循環(huán)下構(gòu)件的疲勞極限??利用光滑小試樣的彎曲和扭轉(zhuǎn)對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限?-1和T-1，計(jì)及應(yīng)力集中、構(gòu)件尺寸以及表面加工質(zhì)量的影響，可以得到構(gòu)件在彎曲和扭轉(zhuǎn)對(duì)稱循環(huán)五的疲勞極限分別為其中影響疲勞極限的系數(shù)K?、KT、ε?、εT、β等均可以從有關(guān)的手冊(cè)中查得。??適當(dāng)加大截面突變處過(guò)渡圓角以及其它措施，有利于緩和應(yīng)力集中。四、提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的途徑

2??1、緩和應(yīng)力集中??適當(dāng)加大截面突變處的過(guò)渡圓角以及其它措施，有利于緩和應(yīng)力集中。??2、提高構(gòu)件表面質(zhì)量在應(yīng)力非均勻分布在情形（例如彎曲和扭轉(zhuǎn)）下，疲勞裂紋大都從構(gòu)件表面開(kāi)始形成和擴(kuò)展。因此，通過(guò)機(jī)構(gòu)的或化學(xué)的方法對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，改善表面層質(zhì)量，將使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有明顯的提高。??表面熱處理和化學(xué)處理（例如表面高頻淬火、滲碳、滲氮和氰化等），冷壓機(jī)械加工（例如表面滾壓和噴丸處理等），都有助于提高構(gòu)件表面層的質(zhì)量。??金屬材料疲勞破壞機(jī)理分為三個(gè)主要階段：??1、疲勞裂紋形成；??2、疲勞裂紋擴(kuò)展；??3、當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生最終的斷裂。??1、疲勞微裂紋的形成??疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起。??①表面滑移帶開(kāi)裂；第二相、夾雜物與基體相界面或夾雜物本身斷裂；晶界或亞晶界處開(kāi)裂。??②在環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應(yīng)力不超過(guò)屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成滑移帶,稱為循環(huán)滑移帶。??③拉伸時(shí)形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會(huì)出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。??2、表面滑移帶開(kāi)裂??循環(huán)滑移帶的持久性：

3??●疲勞的初期，出現(xiàn)滑移帶。隨著循環(huán)數(shù)的增加，滑移帶增加。??●除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。??●這種滑移帶稱為持久滑移帶(PersistSlipBand)。??●在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。形成的微裂紋在循環(huán)加載時(shí)將繼續(xù)長(zhǎng)大。當(dāng)微裂紋頂端接近晶界時(shí)，其長(zhǎng)大速率減小甚至停止長(zhǎng)大。這必然是因?yàn)橄噜従Я?nèi)滑移系的取向不同。??●微裂紋只有穿過(guò)晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內(nèi)擴(kuò)展，以形成宏觀尺度的疲勞裂紋。因?yàn)榫Ы缬凶璧K微裂紋長(zhǎng)大和聯(lián)接的作用，因而有利于延長(zhǎng)疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。??3、疲勞微裂紋的形成??●較大的夾雜物或第二相，會(huì)由于夾雜物與基體界面開(kāi)裂而形成微裂紋。??●第二相在循環(huán)加載，會(huì)形成沿晶裂紋。??4、疲勞抗力指標(biāo)??按應(yīng)力狀態(tài)分：有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞。??金屬材料疲勞破壞機(jī)理分為三個(gè)主要階段：??1、疲勞裂紋形成；??2、疲勞裂紋擴(kuò)展；??3、當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生最終的斷裂。??1、疲勞微裂紋的形成

4??疲勞微裂紋由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起。??①表面滑移帶開(kāi)裂；第二相、夾雜物與基體相界面或夾雜物本身斷裂；晶界或亞晶界處開(kāi)裂。??②在環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應(yīng)力不超過(guò)屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試件表面形成滑移帶,稱為循環(huán)滑移帶。??③拉伸時(shí)形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會(huì)出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。??2、表面滑移帶開(kāi)裂??循環(huán)滑移帶的持久性：??●疲勞的初期，出現(xiàn)滑移帶。隨著循環(huán)數(shù)的增加，滑移帶增加。??●除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。??●這種滑移帶稱為持久滑移帶(PersistSlipBand)。??●在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。形成的微裂紋在循環(huán)加載時(shí)將繼續(xù)長(zhǎng)大。當(dāng)微裂紋頂端接近晶界時(shí)，其長(zhǎng)大速率減小甚至停止長(zhǎng)大。這必然是因?yàn)橄噜従Я?nèi)滑移系的取向不同。??●微裂紋只有穿過(guò)晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內(nèi)擴(kuò)展，以形成宏觀尺度的疲勞裂紋。因?yàn)榫Ы缬凶璧K微裂紋長(zhǎng)大和聯(lián)接的作用，因而有利于延長(zhǎng)疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。??3、疲勞微裂紋的形成

5??●較大的夾雜物或第二相，會(huì)由于夾雜物與基體界面開(kāi)裂而形成微裂紋。??●第二相在循環(huán)加載，會(huì)形成沿晶裂紋。??4、疲勞抗力指標(biāo)??按應(yīng)力狀態(tài)分：有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞。