第五章 金屬的疲勞new

1、第五章第五章 金屬的疲勞金屬的疲勞u問題的提出：問題的提出：u1）許多工程結(jié)構(gòu)在服役時承受變動載荷）許多工程結(jié)構(gòu)在服役時承受變動載荷 （如曲（如曲軸、連桿、齒輪、橋梁等），但應(yīng)力幅度并不大軸、連桿、齒輪、橋梁等），但應(yīng)力幅度并不大u2）在機械零件斷裂失效中有）在機械零件斷裂失效中有80以上屬于疲勞破以上屬于疲勞破壞壞u因此：研究材料的疲勞性能有重要意義因此：研究材料的疲勞性能有重要意義 一、一、 疲勞疲勞 斷口宏觀特征斷口宏觀特征疲勞斷口可分為：疲勞源；疲勞裂紋擴展區(qū)；瞬斷區(qū)疲勞斷口可分為：疲勞源；疲勞裂紋擴展區(qū)；瞬斷區(qū) 圖圖 帶鍵槽的旋轉(zhuǎn)軸的彎曲疲勞斷口（帶鍵槽的旋轉(zhuǎn)軸的彎曲疲勞斷口（40鋼

2、）鋼）左：斷口照片左：斷口照片 右：示意圖右：示意圖5.1 5.1 概述概述疲勞源疲勞源 疲勞裂紋萌生的位置，多出現(xiàn)在機件表面（缺口、疲勞裂紋萌生的位置，多出現(xiàn)在機件表面（缺口、裂紋、刀痕、蝕坑），也可出現(xiàn)在機件內(nèi)部（冶金裂紋、刀痕、蝕坑），也可出現(xiàn)在機件內(nèi)部（冶金缺陷）缺陷）特征特征1）疲勞源區(qū)比較光滑（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多）疲勞源區(qū)比較光滑（受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多）2）表面硬度因加工硬化有所提高）表面硬度因加工硬化有所提高3）可以是一個，也可能有多個疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)）可以是一個，也可能有多個疲勞源（和應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)）及過載程度有關(guān)）疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū) 是疲勞裂紋亞臨界

3、擴展的區(qū)域特征是疲勞裂紋亞臨界擴展的區(qū)域特征1）斷口較光滑，分布有貝紋線（或海灘花樣），有）斷口較光滑，分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階時還有裂紋擴展臺階2）貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，貝紋線是以疲勞）貝紋線是疲勞區(qū)的最典型特征，貝紋線是以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向裂紋擴展方向3）近疲勞源區(qū)貝紋線較密，遠離疲勞源區(qū)貝紋線較）近疲勞源區(qū)貝紋線較密，遠離疲勞源區(qū)貝紋線較疏疏 金屬在循環(huán)載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于斷金屬在循環(huán)載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于斷裂強度（甚至低于屈服強度），也會發(fā)生斷裂，這種裂

4、強度（甚至低于屈服強度），也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞?，F(xiàn)象稱為疲勞。 疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以檢疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以檢測和預(yù)防，因而機件的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟以測和預(yù)防，因而機件的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟以至生命的損失。至生命的損失。 疲勞研究的主要目的：為防止機械和結(jié)構(gòu)的疲勞疲勞研究的主要目的：為防止機械和結(jié)構(gòu)的疲勞失效。失效。二、二、 總結(jié)總結(jié)疲勞失效的過程和機制。疲勞失效的過程和機制。介紹估算裂紋形成壽命的方法，以及延壽技術(shù)。介紹估算裂紋形成壽命的方法，以及延壽技術(shù)。介紹一些疲勞研究的新成果。介紹一些疲勞研究的新成果。金屬疲勞的基本概念和一般規(guī)

5、律。金屬疲勞的基本概念和一般規(guī)律。 本章主要介紹本章主要介紹具體目的：具體目的： 精確地估算機械結(jié)構(gòu)的零構(gòu)件的疲勞壽命精確地估算機械結(jié)構(gòu)的零構(gòu)件的疲勞壽命( (簡稱定壽簡稱定壽) )，保證在服役期內(nèi)零構(gòu)件不會發(fā)生疲勞失效；，保證在服役期內(nèi)零構(gòu)件不會發(fā)生疲勞失效； 采用經(jīng)濟而有效的技術(shù)和管理措施以延長疲勞壽命采用經(jīng)濟而有效的技術(shù)和管理措施以延長疲勞壽命( (簡稱延壽，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。簡稱延壽，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。5.2 5.2 金屬在對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞金屬在對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞循環(huán)應(yīng)力是指應(yīng)力隨時間呈周期性的變化，變化波形循環(huán)應(yīng)力是指應(yīng)力隨時間呈周期性的變化，變化波形通常是正弦波，如圖所示。通

6、常是正弦波，如圖所示。圖圖5-1 5-1 各種循環(huán)加載各種循環(huán)加載方式的應(yīng)力方式的應(yīng)力- -時間圖。時間圖。 5.2.1 5.2.1 循環(huán)加載的特征參數(shù)循環(huán)加載的特征參數(shù) 加載頻率加載頻率f f，單位為，單位為HzHz。還有加載波形，如正。還有加載波形，如正弦波，三角波以及其它波形弦波，三角波以及其它波形 平均應(yīng)力平均應(yīng)力mm或應(yīng)力比或應(yīng)力比R R m m(max+min(max+min) )2 2 R=min /max R=min /max 應(yīng)力幅應(yīng)力幅a a或應(yīng)力范圍或應(yīng)力范圍 a a=/2=(/2=(maxmax- -minmin)/2,)/2, maxmax和和minmin分別為循環(huán)最

7、大應(yīng)力和循環(huán)最小應(yīng)力；分別為循環(huán)最大應(yīng)力和循環(huán)最小應(yīng)力；循環(huán)應(yīng)力的特征參數(shù)：循環(huán)應(yīng)力的特征參數(shù)：循環(huán)應(yīng)力分為下列幾種典型情況：循環(huán)應(yīng)力分為下列幾種典型情況：(1)(1)交變對稱循環(huán)，交變對稱循環(huán)，m m=0=0，R R-1-1。大多數(shù)軸類零件，。大多數(shù)軸類零件，通常受到交變對稱循環(huán)應(yīng)力的作用；這種應(yīng)力可能是通常受到交變對稱循環(huán)應(yīng)力的作用；這種應(yīng)力可能是彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、或者是兩者的復(fù)合。彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、或者是兩者的復(fù)合。 (2)(2)交變不對稱循環(huán)，交變不對稱循環(huán)，0 0mmaa，-1-1R R0 0。發(fā)。發(fā)動機連桿等機件受到這種循環(huán)應(yīng)力動機連桿等機件受到這種循環(huán)應(yīng)力- -大拉小壓的作大

8、拉小壓的作用。用。(3)(3)脈動循環(huán)，脈動循環(huán)，m=am=a，R R0 0。齒輪的齒根和某。齒輪的齒根和某些壓力容器受到這種脈動循環(huán)應(yīng)力的作用。些壓力容器受到這種脈動循環(huán)應(yīng)力的作用。 (4) (4)波動循環(huán)，波動循環(huán)，mama，0 0R R1 1。飛機機翼。飛機機翼下翼面、鋼梁的下翼緣以及預(yù)緊螺栓等，均承下翼面、鋼梁的下翼緣以及預(yù)緊螺栓等，均承受這種循環(huán)應(yīng)力的作用。受這種循環(huán)應(yīng)力的作用。(5)(5)隨機變動應(yīng)力。如汽車隨道路情況受力隨機變動應(yīng)力。如汽車隨道路情況受力圖圖 典型的疲勞壽命曲線典型的疲勞壽命曲線 疲勞壽命曲線又稱為疲勞壽命曲線又稱為WohlerWohler曲線；習(xí)慣上也稱作曲線；

9、習(xí)慣上也稱作S-NS-N曲線。曲線。延時斷裂，應(yīng)力斷裂水平較低（甚至低于疲勞強度）延時斷裂，應(yīng)力斷裂水平較低（甚至低于疲勞強度）。應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長。應(yīng)力高，壽命短；應(yīng)力低，壽命長。 從加載開始到試件斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)，定義從加載開始到試件斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)，定義為該試件的疲勞壽命為該試件的疲勞壽命NfNf 。 5.2.2 5.2.2 疲勞壽命曲線疲勞壽命曲線 幾種材料的幾種材料的S-NS-N曲線曲線疲勞壽命曲線可以分為三個區(qū)：疲勞壽命曲線可以分為三個區(qū)：(1)(1)低循環(huán)疲勞低循環(huán)疲勞(Low Cycle Fatigue)(Low Cycle Fatigue)區(qū)區(qū) 在很高

10、的應(yīng)力下，在很少的循環(huán)次數(shù)后，試件即發(fā)生在很高的應(yīng)力下，在很少的循環(huán)次數(shù)后，試件即發(fā)生斷裂，并有較明顯的塑性變形。一般認為，低循環(huán)疲勞發(fā)斷裂，并有較明顯的塑性變形。一般認為，低循環(huán)疲勞發(fā)生在循環(huán)應(yīng)力超出彈性極限，疲勞壽命在生在循環(huán)應(yīng)力超出彈性極限，疲勞壽命在0.250.25到到10104 4或或10105 5 次之間。因此，低循環(huán)疲勞又可稱為短壽命疲勞。次之間。因此，低循環(huán)疲勞又可稱為短壽命疲勞。 (2)(2)高循環(huán)疲勞高循環(huán)疲勞(High Cycle Fatigue)(High Cycle Fatigue)區(qū)區(qū) 在高循環(huán)疲勞區(qū)，循環(huán)應(yīng)力低于彈性極限，疲勞在高循環(huán)疲勞區(qū)，循環(huán)應(yīng)力低于彈性極限，

11、疲勞壽命長，壽命長，NfNf10105 5 次循環(huán)，且隨循環(huán)應(yīng)力降低而大大次循環(huán)，且隨循環(huán)應(yīng)力降低而大大地延長。試件在最終斷裂前，整體上無可測的塑性變地延長。試件在最終斷裂前，整體上無可測的塑性變形，因而在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。在此區(qū)內(nèi)，試件形，因而在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。在此區(qū)內(nèi)，試件的疲勞壽命長，故可將高循環(huán)疲勞稱為長壽命疲勞。的疲勞壽命長，故可將高循環(huán)疲勞稱為長壽命疲勞。(3)(3)無限壽命區(qū)或安全區(qū)無限壽命區(qū)或安全區(qū) 在絕大多數(shù)情況下，在絕大多數(shù)情況下，S-NS-N曲線存在一條水平曲線存在一條水平漸近線，記為漸近線，記為r（ 對稱循環(huán)則為對稱循環(huán)則為1 ） 。此表。此表示試件在低于某一

12、臨界應(yīng)力的應(yīng)力下，可以經(jīng)受示試件在低于某一臨界應(yīng)力的應(yīng)力下，可以經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，疲勞壽命趨于無限，無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，疲勞壽命趨于無限，NfNf 。（將此臨界應(yīng)力稱為材料的理論疲勞極。（將此臨界應(yīng)力稱為材料的理論疲勞極限或耐久極限）限或耐久極限） 疲勞極限：在指定的疲勞壽命下，試件所能承受的疲勞極限：在指定的疲勞壽命下，試件所能承受的上限應(yīng)力幅值。指定壽命通常取上限應(yīng)力幅值。指定壽命通常取NfNf=10=107 7 cycles cycles。在應(yīng)力。在應(yīng)力比比R=-1R=-1時測定的疲勞極限記為時測定的疲勞極限記為-1-1。測定疲勞極限最簡單。測定疲勞極限最簡單的方法是所謂的

13、單點試驗法。的方法是所謂的單點試驗法。( (教材教材P96P96圖圖5 515)15)工程上的定義工程上的定義5.2.3 5.2.3 疲勞極限及其實驗測定疲勞極限及其實驗測定疲勞極限：試件可經(jīng)受無限的應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂，疲勞極限：試件可經(jīng)受無限的應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂，所能承受的上限循環(huán)應(yīng)力幅值。所能承受的上限循環(huán)應(yīng)力幅值。疲勞試驗及示意圖5.3 5.3 非對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞非對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞 大多數(shù)機械和工程結(jié)構(gòu)的零件，是在非對稱循環(huán)應(yīng)大多數(shù)機械和工程結(jié)構(gòu)的零件，是在非對稱循環(huán)應(yīng)力下服役的。力下服役的。 實質(zhì)是研究平均應(yīng)力或應(yīng)力比對疲勞壽命的影響。實質(zhì)是研究平均應(yīng)力或應(yīng)力比對疲勞壽命的

14、影響。 5. 4 5. 4 不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強度不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強度 同種材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力壽命曲線不同，同種材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力壽命曲線不同，相應(yīng)的疲勞強度也不相同。相應(yīng)的疲勞強度也不相同。5. 5 5. 5 疲勞強度與靜強度間關(guān)系疲勞強度與靜強度間關(guān)系 材料的抗拉強度越大，其疲勞強度也越大。材料的抗拉強度越大，其疲勞強度也越大。 缺口存在也會使材料的疲勞極缺口存在也會使材料的疲勞極限降低，有缺口疲勞極限記為限降低，有缺口疲勞極限記為-1n , 即即-1-1n 材料對缺口敏感程度也不一材料對缺口敏感程度也不一樣。脆性材料對缺口很敏感。樣。脆性材料對缺口很敏感。實驗表明，

15、實驗表明， q 之值隨材料強度之值隨材料強度的升高而增大，這說明高強度的升高而增大，這說明高強度材料的疲勞切口敏感度較高。材料的疲勞切口敏感度較高。圖圖 應(yīng)力集中對應(yīng)力集中對高強度鋁合金高強度鋁合金LC9LC9疲勞壽命的疲勞壽命的影響影響 5.6 5.6 疲勞切口敏感度疲勞切口敏感度 疲勞載荷譜：按某種規(guī)律隨時間而變化的載荷曲線。疲勞載荷譜：按某種規(guī)律隨時間而變化的載荷曲線。疲勞載荷譜示意圖疲勞載荷譜示意圖 5.7 5.7 累積疲勞損傷累積疲勞損傷變幅載荷：下圖示意地表示零件所受的變幅應(yīng)力。變幅載荷：下圖示意地表示零件所受的變幅應(yīng)力。010N3N2N1n3n2n1321log(Nf)圖圖 疲勞

16、壽命曲線與累積損傷計算示意圖疲勞壽命曲線與累積損傷計算示意圖 如何根據(jù)等幅載荷下測定的如何根據(jù)等幅載荷下測定的S-N曲線，估算變幅載荷曲線，估算變幅載荷下的疲勞壽命。常用的是下的疲勞壽命。常用的是Miner線性累積傷定則。線性累積傷定則。若循環(huán)若循環(huán)n1次次, 則造成的損傷度為則造成的損傷度為n1/D1；若在應(yīng)力幅若在應(yīng)力幅2下循環(huán)下循環(huán)n2次次, 則造成的損傷度為則造成的損傷度為n2D2=n2/Nf2。 在理論疲勞極限以下，由于在理論疲勞極限以下，由于 Nf ，所以損傷度為零，即，所以損傷度為零，即不造成損傷。不造成損傷。簡述如下：簡述如下： 設(shè)試件在循環(huán)應(yīng)力設(shè)試件在循環(huán)應(yīng)力1下的疲勞壽命為

17、下的疲勞壽命為Nf1，若在該應(yīng)力，若在該應(yīng)力幅下循環(huán)幅下循環(huán)1次，則勞壽命縮減的分數(shù)為次，則勞壽命縮減的分數(shù)為1Nf1 ，即造成的，即造成的損傷度為損傷度為D1，D1=1/Nf1; 當總損傷度達到臨界值時，發(fā)生疲勞失效。顯然，在當總損傷度達到臨界值時，發(fā)生疲勞失效。顯然，在恒幅載荷下，損傷度的臨界值為恒幅載荷下，損傷度的臨界值為1.0。 若零件所受的變幅載荷有若零件所受的變幅載荷有m級，則在不同級的循環(huán)應(yīng)級，則在不同級的循環(huán)應(yīng)力下所造成的總損傷度為力下所造成的總損傷度為jmjjDn1 若將恒幅加載看成變幅載荷的特例，則變幅載荷若將恒幅加載看成變幅載荷的特例，則變幅載荷下?lián)p傷度的臨界值也應(yīng)為下?lián)p

18、傷度的臨界值也應(yīng)為1.0。故有。故有 即在變幅載荷下，疲勞總損傷度達到即在變幅載荷下，疲勞總損傷度達到1.0時，發(fā)生時，發(fā)生疲勞失效。此即疲勞失效。此即Miner線性累積損傷定則。線性累積損傷定則。 0 . 111mjmjfjjjjNndn5.8 5.8 疲勞失效過程和機制疲勞失效過程和機制疲勞失效過程可以分為三個主要階段：疲勞失效過程可以分為三個主要階段：疲勞裂紋形成，疲勞裂紋形成，疲勞裂紋擴展，疲勞裂紋擴展，當裂紋擴展達到臨界尺寸時，發(fā)生最終的斷裂。當裂紋擴展達到臨界尺寸時，發(fā)生最終的斷裂。 疲勞破壞的過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域組織在變動應(yīng)力疲勞破壞的過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域組織在變動應(yīng)力的作用

19、下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展的作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程開始的損傷累積，最終引起整體破壞的過程疲勞微裂紋的形成可能有三種方式：疲勞微裂紋的形成可能有三種方式： 在循環(huán)載荷作用下在循環(huán)載荷作用下,即使循環(huán)應(yīng)力不超過屈服強度，即使循環(huán)應(yīng)力不超過屈服強度，也會在試件表面形成滑移帶也會在試件表面形成滑移帶, 稱為循環(huán)滑移帶。稱為循環(huán)滑移帶。表面滑移帶開裂、夾雜物與基體相界面分離或夾雜表面滑移帶開裂、夾雜物與基體相界面分離或夾雜物

20、本身斷裂，以及晶界或亞晶界開裂。物本身斷裂，以及晶界或亞晶界開裂。拉伸時形成的滑移帶分布較均勻，而循環(huán)滑移帶拉伸時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)滑移帶中會出則集中于某些局部區(qū)域。而且在循環(huán)滑移帶中會出現(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口?，F(xiàn)擠出與擠入，從而在試件表面形成微觀切口。5.8.1 疲勞裂紋形成過程和機制疲勞裂紋形成過程和機制 疲勞的初期，出現(xiàn)滑移帶。隨著循環(huán)數(shù)的增加，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?；茙г黾印?除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再除去滑移帶，重新循環(huán)加載，滑移帶又在原處再現(xiàn)。現(xiàn)。 這種滑移帶稱為持

21、久滑移帶這種滑移帶稱為持久滑移帶(Persist Slip Band)。在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。在持久滑移帶中出現(xiàn)疲勞裂紋。 已形成的微裂紋在循環(huán)加載時將繼續(xù)長大。當微已形成的微裂紋在循環(huán)加載時將繼續(xù)長大。當微裂紋頂端接近晶界時，其長大速率減小甚至停止長大裂紋頂端接近晶界時，其長大速率減小甚至停止長大。這必然是因為相鄰晶粒內(nèi)滑移系的取向不同。這必然是因為相鄰晶粒內(nèi)滑移系的取向不同。循環(huán)滑移帶的持久循環(huán)滑移帶的持久性性 微裂紋只有穿過晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋只有穿過晶界，才能與相鄰晶粒內(nèi)的微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內(nèi)擴展，以形成宏觀微裂紋聯(lián)接，或向相鄰晶粒內(nèi)擴展，以形成宏觀尺度的疲勞裂紋

22、。尺度的疲勞裂紋。 因為晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接的作用，因為晶界有阻礙微裂紋長大和聯(lián)接的作用，因而有利于延長疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。因而有利于延長疲勞裂紋形成壽命和疲勞壽命。較大的夾雜物或第二相，會由于夾雜物與基體界較大的夾雜物或第二相，會由于夾雜物與基體界面開裂而形成微裂紋。面開裂而形成微裂紋。 第二相在循環(huán)加載，會形成沿晶裂紋。第二相在循環(huán)加載，會形成沿晶裂紋。 第第I階段，裂紋沿著與拉應(yīng)力成階段，裂紋沿著與拉應(yīng)力成45o 的方向，即在切的方向，即在切應(yīng)力最大的滑移面內(nèi)擴展。第應(yīng)力最大的滑移面內(nèi)擴展。第I階段裂紋擴展的距離階段裂紋擴展的距離一般都很小，約為一般都很小，約為23個晶粒。

23、個晶粒。 第第II階段，裂紋擴展方向與拉應(yīng)力垂直。在電子顯階段，裂紋擴展方向與拉應(yīng)力垂直。在電子顯微鏡下可顯示出疲勞條帶。微鏡下可顯示出疲勞條帶。 疲勞條帶是每次循環(huán)加載形成的。疲勞條帶是每次循環(huán)加載形成的。 5.8.2 疲勞裂紋擴展過程和機制疲勞裂紋擴展過程和機制 疲勞裂紋擴展可分為兩個階段。疲勞裂紋擴展可分為兩個階段。 在每一循環(huán)開始時，應(yīng)力為零，裂紋處于閉合在每一循環(huán)開始時，應(yīng)力為零，裂紋處于閉合狀態(tài)狀態(tài)(a)。 當拉應(yīng)力增大，裂紋張開，并在裂紋尖端沿最當拉應(yīng)力增大，裂紋張開，并在裂紋尖端沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移(b)。 拉應(yīng)力增長到最大值、裂紋進一步張開，塑性拉應(yīng)力

24、增長到最大值、裂紋進一步張開，塑性變形也隨之增大，使得裂紋尖端鈍化變形也隨之增大，使得裂紋尖端鈍化(c)，因而應(yīng)，因而應(yīng)力集中減小，裂紋停止擴展。力集中減小，裂紋停止擴展。 卸載時，拉應(yīng)力減小，裂紋逐漸閉合，裂紋尖卸載時，拉應(yīng)力減小，裂紋逐漸閉合，裂紋尖端滑移方向改變端滑移方向改變(d)。 當應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力時裂紋閉合，裂紋尖端銳化當應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力時裂紋閉合，裂紋尖端銳化，又回復(fù)到原先的狀態(tài)，又回復(fù)到原先的狀態(tài)(e)。疲勞條帶的形成的鈍化模型疲勞條帶的形成的鈍化模型 由此可見，每加載一次，裂紋向前擴展一段距離，由此可見，每加載一次，裂紋向前擴展一段距離，這就是裂紋擴展速率這就是裂紋擴展速率dad

25、N，同時在斷口上留下一疲，同時在斷口上留下一疲勞條帶，而且裂紋擴展是在拉伸加載時進行的。裂紋擴勞條帶，而且裂紋擴展是在拉伸加載時進行的。裂紋擴展的塑性鈍化模型與實驗觀測結(jié)果相符。展的塑性鈍化模型與實驗觀測結(jié)果相符。 裂紋擴展的塑性鈍化模型裂紋擴展的塑性鈍化模型 應(yīng)當指出，疲勞條帶只是在塑性好的材料，尤其是應(yīng)當指出，疲勞條帶只是在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的鋁合金、奧氏體不銹鋼等的疲勞斷具有面心立方晶格的鋁合金、奧氏體不銹鋼等的疲勞斷口上清晰地觀察到?？谏锨逦赜^察到。 在一些低塑性材料中，如粗片狀珠光體鋼，疲勞裂在一些低塑性材料中，如粗片狀珠光體鋼，疲勞裂紋以微區(qū)解理紋以微區(qū)解理(

26、Microcleavage )或沿晶分離的方式擴展，或沿晶分離的方式擴展，因而在這類材料的疲勞斷口上不能觀察到疲勞條帶。因而在這類材料的疲勞斷口上不能觀察到疲勞條帶。 注意，不可將疲勞條帶與宏觀疲勞斷口上的貝殼注意，不可將疲勞條帶與宏觀疲勞斷口上的貝殼狀條紋相混淆。宏觀疲勞斷口上的貝殼狀條紋是由于狀條紋相混淆。宏觀疲勞斷口上的貝殼狀條紋是由于循環(huán)加載條件的變化而形成的。若在電子顯微鏡下觀循環(huán)加載條件的變化而形成的。若在電子顯微鏡下觀察貝殼狀條紋，可以看出它是由很多疲勞條帶組成的察貝殼狀條紋，可以看出它是由很多疲勞條帶組成的。該模型的缺點：屈服強度高的材料與實驗觀測結(jié)果不符。該模型的缺點：屈服強

27、度高的材料與實驗觀測結(jié)果不符。對對a-Na-N曲線求導(dǎo)，即得裂紋擴展速率曲線求導(dǎo)，即得裂紋擴展速率dadadNdN，也，也就是每循環(huán)一次裂紋擴展的距離，單位為就是每循環(huán)一次裂紋擴展的距離，單位為 m mcyclecycle。5.9 5.9 疲勞裂紋擴展速率及門檻值疲勞裂紋擴展速率及門檻值 5.9.1 5.9.1 疲勞裂紋擴展速率的測定疲勞裂紋擴展速率的測定在固定的載荷在固定的載荷P P和應(yīng)力比和應(yīng)力比R R下進行。實驗時下進行。實驗時每隔一定的加載循環(huán)數(shù)，測定裂紋長度每隔一定的加載循環(huán)數(shù)，測定裂紋長度a a，作出作出a-Na-N關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。圖圖 裂紋長度與加裂紋長度與加載循環(huán)數(shù)關(guān)系曲載

28、循環(huán)數(shù)關(guān)系曲線線再將相應(yīng)的裂紋長度，代入應(yīng)力場強度因子表再將相應(yīng)的裂紋長度，代入應(yīng)力場強度因子表達式計算出達式計算出K K。最后繪制出。最后繪制出dadadNdN- -K K關(guān)系曲關(guān)系曲線，即疲勞裂紋擴展速率曲線。線，即疲勞裂紋擴展速率曲線。圖圖 典型的疲典型的疲勞裂紋擴展速勞裂紋擴展速率曲線率曲線 疲勞裂紋擴展速率曲線可以分為三個區(qū)：疲勞裂紋擴展速率曲線可以分為三個區(qū)：I I區(qū)為近門檻區(qū)，裂紋擴展速率隨著區(qū)為近門檻區(qū)，裂紋擴展速率隨著K K的降低的降低而迅速降低，以至而迅速降低，以至dadadN0dN0。與此相對應(yīng)。與此相對應(yīng)K K值稱為值稱為疲勞裂紋擴展門檻值疲勞裂紋擴展門檻值，記為，記為

29、KthKth。當。當KKKthKth 時，時，dadadNdN0 0。這是裂紋擴展門。這是裂紋擴展門檻值的物理定義或理論定義。實驗測定的裂紋檻值的物理定義或理論定義。實驗測定的裂紋擴展門檻值常定義為：擴展門檻值常定義為：dadadNdN1-31-31010-10-10 m mcyclecycle時的時的K K值。值。I I區(qū)接近于區(qū)接近于KthKth ，故又將，故又將I I區(qū)稱為近門檻區(qū)。區(qū)稱為近門檻區(qū)。II區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)，對應(yīng)于區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)，對應(yīng)于dadN10-8-10-6 mcycle。在。在II區(qū)；裂紋擴展速率在區(qū)；裂紋擴展速率在log（da/dN） - logK 雙對數(shù)坐標上呈一直線。雙對數(shù)坐標上呈一直線。I