疲勞與斷裂結(jié)課小結(jié)

1、 金屬疲勞與斷裂 學(xué)習(xí)報(bào)告 院 （系）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 研1308 學(xué)生姓名： 王紅偉 指導(dǎo)教師： 周勇 完成日期： 2014年5月25日 1 緒論 疲勞(Fatigue)與斷裂(Fracture)是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的最主要的原因。在面向21世紀(jì)的今天，人們對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度(靜載荷作用、無缺陷材料的強(qiáng)度)的認(rèn)識(shí)已相當(dāng)深刻，工程中強(qiáng)度設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和積累也十分豐富，對(duì)于傳統(tǒng)強(qiáng)度的控制能力也大大增強(qiáng)。因此，疲勞與斷裂引起的失效在工程失效中越來越突出。 19世紀(jì)中葉以來，人們?yōu)檎J(rèn)識(shí)和控制疲勞破壞進(jìn)行了不懈的努力，在疲勞現(xiàn)象的觀察、疲勞機(jī)理的認(rèn)識(shí)、疲勞規(guī)律的研究、疲勞壽命的預(yù)測(cè)和抗疲

2、勞設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展等方面積累了豐富的知識(shí)。20世紀(jì)50年代斷裂力學(xué)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律及失效控制的研究。疲勞斷裂失效涉及到擾動(dòng)使用載荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成與擴(kuò)展，涉及到使用環(huán)境的影響等等，問題的復(fù)雜性是顯而易見的。因此，疲勞斷裂的許多問題的認(rèn)識(shí)和根本解決，還有待于進(jìn)一步深入的研究。盡管如此，了解現(xiàn)代研究成果，掌握疲勞與斷裂的基本概念、規(guī)律和方法，對(duì)于廣大工程技術(shù)在實(shí)踐中成功地進(jìn)行抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)無疑是十分有益的。 發(fā)生斷裂是因?yàn)橛辛鸭y存在，而裂紋萌生并擴(kuò)展到足以引起斷裂的原因則很少不是由于疲勞。如二次大戰(zhàn)期間美國(guó)制造的全焊接船舶，有近千艘出現(xiàn)開裂， 200余艘發(fā)生嚴(yán)重?cái)?/p>

3、裂破壞。1952年，第一架噴氣式客機(jī)（英國(guó)的慧星號(hào)）在試飛300多小時(shí)后投入使用。1954年元月一次檢修后的第四天，飛行中突然失事墜入地中海。打撈起殘骸并進(jìn)行研究后的結(jié)論認(rèn)為，事故是由壓力艙的疲勞破壞引起的，疲勞裂紋起源于機(jī)身開口拐角處。1967年12月15日，美國(guó)西弗吉尼亞Point Pleasant橋突然毀壞，46人死亡，事故是由一根帶環(huán)拉桿中的缺陷在疲勞、腐蝕的作用下擴(kuò)展到臨界尺寸而引起的。1980年3月27日下午6時(shí)半，英國(guó)北海Ekofisk油田的 Alexander L. Kielland號(hào)鉆井平臺(tái)傾復(fù)，127人落水只救起89人。事故分析表明，裂紋由325mm的撐管與支腿連接的焊縫處

4、起始，在疲勞載荷（主要是波浪力）的作用下，擴(kuò)展 100多毫米后發(fā)生斷裂，導(dǎo)致平臺(tái)傾復(fù)的事故。80年代初，美國(guó)眾議院科技委員會(huì)委托國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局進(jìn)行了一次關(guān)于斷裂所造成的損失的大型綜合調(diào)查。1983年，在“ 國(guó)際斷裂” 雜志(Int.J.Fracture,Vol.23 ， No.3,1983. 譯文見“力學(xué)進(jìn)展” ，No.2,1985)上發(fā)表了調(diào)查委員會(huì)給國(guó)會(huì)的報(bào)告。報(bào)告指出，斷裂使美國(guó)一年損失1190億美元，占1982年國(guó)家總產(chǎn)值的4%。遭受損失最嚴(yán)重的三個(gè)行業(yè)是：車輛業(yè)（125億/年），建筑業(yè)（100億/年），航空工業(yè)（ 67億/年）。值得注意的是報(bào)告還指出，向工程技術(shù)人員普及關(guān)于斷裂的基本概念

5、和知識(shí)，可減少損失29% （345億/年），應(yīng)用現(xiàn)有成果，可減少損失24%（285億）。因此，向工程技術(shù)人員普及關(guān)于斷裂和疲勞的基本概念，是十分必要的。 1984年國(guó)際疲勞雜志(Int.J.Fatigue,Vol.6,No.1)發(fā)表的國(guó)際民航組織 (ICAO)“涉及金屬疲勞斷裂的重大飛機(jī)失事調(diào)查”指出：80年代以來，由金屬疲勞斷裂引起的機(jī)毀人亡重大事故，平均每年100次。20世紀(jì)的最后十年，盡管安全水平有了進(jìn)一步提高，但世界民航每年發(fā)生重大死亡的飛行事故次數(shù)仍在48-57次之間。 1999年，發(fā)生飛行死亡事故次數(shù)為48起，事故死亡人數(shù)為730人。 工程實(shí)際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學(xué)破壞的

6、50-90%，是機(jī)械、結(jié)構(gòu)失效的最常見形式。因此，工程技術(shù)人員必須認(rèn)真考慮可能的疲勞斷裂問題。 2 疲勞機(jī)理2.1 疲勞定義及特點(diǎn) 人們認(rèn)識(shí)和研究疲勞問題，已經(jīng)有 150年的歷史。在不懈地探究材料與結(jié)構(gòu)疲勞奧秘的實(shí)踐中，對(duì)疲勞的認(rèn)識(shí)不斷地得到修正和深化。 美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義”（ASTM E206-72）中所作的定義： 在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。其定義具有以下特點(diǎn)： 1）只有在承受擾動(dòng)應(yīng)力作用的條件下，疲勞才會(huì)發(fā)生。所謂擾動(dòng)應(yīng)力，是指隨時(shí)

7、間變化的應(yīng)力。更一般地，也可稱之為擾動(dòng)載荷，載荷可以是力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。如圖2-1 所示，載荷隨使用時(shí)間的變化可以是有規(guī)則的。也可以是不規(guī)則的，甚至是隨機(jī)的。如當(dāng)彎矩不變時(shí)，旋轉(zhuǎn)彎曲軸中某點(diǎn)的應(yīng)力，是恒幅循環(huán)（或等幅循環(huán)）應(yīng)力；起重行車吊鉤分批吊起不同的重物， 承受變幅循環(huán)的應(yīng)力；車輛在不平的道路上行駛，彈簧等零構(gòu)件承受的載荷是隨機(jī)的 。圖2-1 載荷譜描述載荷時(shí)間變化關(guān)系的圖或表，稱為載荷譜。圖 2-1給出了應(yīng)力隨時(shí)間的變化，由應(yīng)力給出的載荷譜稱為應(yīng)力譜，類似地，還有應(yīng)變譜、位移譜、加速度譜等等。顯然，在研究疲勞問題時(shí)，首先要研究載荷譜的描述與簡(jiǎn)化。 最簡(jiǎn)單的循環(huán)載荷是恒幅應(yīng)力循環(huán)載荷

8、。圖2-2所描述的是正弦型恒幅循環(huán)應(yīng)力。 顯然，描述一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，至少需要二個(gè)量，如循環(huán)最大應(yīng)力Smax和最小應(yīng)力Smin。這二者是描述循環(huán)之應(yīng)力水平的基本量?；谧畲髴?yīng)力Smax和最小應(yīng)力Smin，在疲勞分析中還用到以下參考量： 應(yīng)力變程（全幅）DS定義為： D S=Smax-Smin 應(yīng)力幅（半幅）Sa定義為： Sa=DS/2=(Smax-Smin)/2 平均應(yīng)力Sm定義為： Sm=(Smax+Smin)/2 應(yīng)力比R定義為： R=Smin/Smax 其中，應(yīng)力比R反映了不同的循環(huán)特征，如當(dāng) Smax=-Smin時(shí)，R=-1；是對(duì)稱循環(huán)；Smin=0 時(shí)，R=0， 是脈沖循環(huán)；Smax=S

9、min時(shí)，R=1，Sa=0，是靜載荷。圖2-2 不同應(yīng)力比下的循環(huán)應(yīng)力2） 疲勞破壞起源于高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部靜載下的破壞，取決于結(jié)構(gòu)整體；疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始，形成損傷并逐漸累積，導(dǎo)致破壞發(fā)生。可見，局部性是疲勞的明顯特點(diǎn)。零、構(gòu)件應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起源。因此，要注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，盡可能減小應(yīng)力集中。疲勞研究所關(guān)心的正是這些由幾何形狀變化或材料缺陷等引起應(yīng)力集中的局部細(xì)節(jié)，要研究這些細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變。 3） 疲勞破壞是在足夠多次的擾動(dòng)載荷作用之后，形成裂紋或完全斷裂足夠多的擾動(dòng)載荷作用之后，從高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部開始，形成裂紋， 稱為裂紋起始（或裂紋萌生）。此后，在擾動(dòng)

10、載荷作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至到達(dá)臨界尺寸而發(fā)生完全斷裂。裂紋萌生擴(kuò)展斷裂三個(gè)階段是疲勞破壞的又一特點(diǎn)。研究疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)理及規(guī)律，是疲勞研究的主要任務(wù)。 4） 疲勞是一個(gè)發(fā)展過程 由于擾動(dòng)應(yīng)力的作用，零、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)一開始使用，就進(jìn)入了疲勞的“發(fā)展過程”。所謂裂紋萌生和擴(kuò)展，是這一發(fā)展過程中不斷形成的損傷累積的結(jié)果。最后的斷裂，標(biāo)志著疲勞過程的終結(jié)。這一發(fā)展過程所經(jīng)歷的時(shí)間或擾動(dòng)載荷作用的次數(shù)，稱為“壽命”。它不僅取決于載荷水平，還依賴于其作用次數(shù)和/或時(shí)間，取決于材料抵抗疲勞破壞的能力。疲勞研究的目的就是要預(yù)測(cè)壽命，因此，要研究壽命預(yù)測(cè)的方法。 材料發(fā)生疲勞破壞，要經(jīng)歷裂紋起始或萌

11、生、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展 （斷裂）三個(gè)階段，疲勞總壽命也由相應(yīng)的部分組成。因?yàn)榱鸭y失穩(wěn)擴(kuò)展是快速擴(kuò)展，對(duì)壽命的影響很小，在估算壽命時(shí)通常不予考慮。故一般可將總壽命分為裂紋起始或萌生壽命與裂紋擴(kuò)展壽命二部分，即 Ntotal=Ninitiation+Npropagation 進(jìn)行裂紋起始?jí)勖治鰰r(shí)，一般按應(yīng)力壽命或應(yīng)變壽命關(guān)系進(jìn)行，稱為傳統(tǒng)疲勞；疲勞裂紋擴(kuò)展壽命分析則必須考慮裂紋的存在，需用斷裂力學(xué)方法研究，故稱為斷裂疲勞。 完整的疲勞分析，既要研究裂紋的起始或萌生，也要研究裂紋的擴(kuò)展，并應(yīng)注意二部分壽命的銜接。但在某些情況下，也可能只需要考慮裂紋起始或擴(kuò)展其中之一，并由此給出其壽命的估計(jì)

12、。例如，高強(qiáng)脆性材料斷裂韌性低，一出現(xiàn)裂紋就會(huì)引起破壞，裂紋擴(kuò)展壽命很短；故對(duì)于由高強(qiáng)度材料制造的零構(gòu)件，通常只需考慮其裂紋起始?jí)勖?，?Nt=Ni。延性材料構(gòu)件有相當(dāng)長(zhǎng)的裂紋擴(kuò)展壽命，則一般不宜忽略。而對(duì)于一些焊接、鑄造的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谥圃爝^程中已不可避免地引入了裂紋或類裂紋缺陷，故可以忽略其裂紋起始?jí)勖?，?Nt=Np, 即只需考慮其裂紋擴(kuò)展壽命即可。 2.2 疲勞斷口特征 疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過程的所有痕跡，記錄了很多斷裂信息。具有明顯區(qū)別于其他任何性質(zhì)斷裂的斷口形貌特征，而這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及環(huán)境因素的影響，因此對(duì)疲勞斷口分析是研究疲勞過程、分析疲勞失效原因

13、的重要方法。一個(gè)典型的疲勞斷口往往由疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三個(gè)部分組成，具有典型的“貝殼”狀或“海灘”狀條紋的特征，這種特征給疲勞失效的鑒別工作帶來了極大的幫助。1、疲勞裂紋源區(qū)疲勞裂紋源區(qū)是疲勞裂紋萌生的策源地，是疲勞破壞的起點(diǎn)，多處于機(jī)件的表面，源區(qū)的斷口形貌多數(shù)情況下比較平坦、光亮，且呈半圓形或半橢圓形。因?yàn)榱鸭y在源區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展速率緩慢，裂紋表面受反復(fù)擠壓、摩擦次數(shù)多，所以其斷口較其他兩個(gè)區(qū)更為平坦，比較光亮。在整個(gè)斷口上與其他兩個(gè)區(qū)相比，疲勞裂紋源區(qū)所占的面積最小。當(dāng)表面承受足夠高的殘余壓應(yīng)力或材料內(nèi)部存在嚴(yán)重的冶金缺陷時(shí)，裂紋源則向次表面或機(jī)件內(nèi)部移動(dòng)。有時(shí)在疲勞斷口

14、上也會(huì)出現(xiàn)多個(gè)裂紋源，每個(gè)源區(qū)所占面積往往比單個(gè)源區(qū)小，源區(qū)斷口特征不一定都具有像單個(gè)源區(qū)那樣典型的形貌。裂紋源的數(shù)目取決于材料的性質(zhì)、機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)以及交變載荷狀況等。通常，應(yīng)力集中系數(shù)越大，名義應(yīng)力越高，出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多，如低周疲勞斷口上常有幾個(gè)位于不同位置的疲勞裂紋源區(qū)。當(dāng)零件表面存在某類裂紋時(shí)，則零件無疲勞裂紋萌生期，疲勞裂紋在交變載荷作用下直接由該類裂紋根部向縱深擴(kuò)展，這時(shí)斷口上不再出現(xiàn)疲勞源區(qū)，只有裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。2、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞裂紋形成后裂紋慢速擴(kuò)展形成的區(qū)域，該區(qū)是判斷疲勞斷裂的最重要特征區(qū)域，其基本特征是呈現(xiàn)貝殼花樣或海灘花樣，它是以疲勞源

15、區(qū)為中心，與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧形線，又稱疲勞弧線。疲勞弧線是裂紋擴(kuò)展過程中，其頂端的應(yīng)力大小或狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，在斷裂面上留下的塑性變形的痕跡。貝紋花樣是由載荷變動(dòng)引起的，因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可避免地常有啟動(dòng)、停歇、偶然過載等，均可留下塑性變形的痕跡一貝紋線（疲勞弧線）。貝紋線的清晰度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與介質(zhì)情況、溫度條件等有關(guān)，材料的塑性好、溫度高、有腐蝕介質(zhì)存在時(shí)，則弧線清晰。所以，這種弧線特征總是出現(xiàn)在實(shí)際機(jī)件的疲勞斷口中，而在實(shí)驗(yàn)室的試件疲勞斷口中很難看到明顯的貝紋線，此時(shí)疲勞斷口表面由于多次反復(fù)壓縮而摩擦，使該區(qū)變得光滑，呈細(xì)晶狀，有時(shí)甚至光潔得像瓷質(zhì)狀結(jié)構(gòu)。一

16、般貝紋線常見于低應(yīng)力高周疲勞斷口中，而低周疲勞以及許多高強(qiáng)度鋼、灰鑄鐵中觀察不到此種貝紋狀的推進(jìn)線。貝紋線與裂紋擴(kuò)展方向垂直，它可以是繞著裂紋源向外凸起的弧線，表示裂紋沿表面擴(kuò)展較慢，即材料對(duì)缺口不敏感，例如低碳鋼；相反，若圍繞裂紋源成凹向弧線，說明裂紋沿表面擴(kuò)展較內(nèi)部快些，表示材料對(duì)缺口敏感，如高碳鋼。貝紋線間距也有不同。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)則貝紋線較稀疏，表明裂紋擴(kuò)展較快。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在斷口所占據(jù)的面積為最大，而貝紋區(qū)的面積大小取決于材料性質(zhì)及構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力幅等。隨著應(yīng)力幅的降低或材料韌性較好時(shí)，則貝紋區(qū)較大，貝紋線細(xì)而明顯；反之隨著應(yīng)力幅的提高或

17、材料韌性較差，則貝紋區(qū)較小，貝紋線粗而不明顯。當(dāng)軸類機(jī)件拉壓疲勞時(shí)，若表面無應(yīng)力集中（無缺口），則裂紋因截面上應(yīng)力均等而沿截面等速擴(kuò)展，貝紋線呈一簇平行的圓弧線。若機(jī)件表面存在應(yīng)力集中（環(huán)形缺口），則因截面表層的應(yīng)力比中間的高，裂紋沿表層的擴(kuò)展快于中間區(qū)；高應(yīng)力時(shí)，瞬斷區(qū)面積相對(duì)較大，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積小，裂紋沿兩邊及中間擴(kuò)展差別不大，貝紋線的形狀為半圓弧形一半橢圓弧個(gè)波浪弧一最后凹向半橢圓弧變化。當(dāng)機(jī)件彎曲疲勞時(shí)，其表面應(yīng)力最大，中心最小，其貝紋線變化與缺口機(jī)件的拉壓疲勞相似，如表面又存在缺口造成應(yīng)力集中，則其變化程度會(huì)更大。若機(jī)件為扭轉(zhuǎn)疲勞時(shí)，其最大正應(yīng)力和軸向呈45角分布，最大切應(yīng)力垂直

18、或平行軸向分布，故疲勞斷口有二類，一類為正斷型，另一類為切斷型。脆性材料常是正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞，常見的有鋸齒狀斷口及星形斷口，呈纖維狀，如花鍵軸的斷口。切應(yīng)力引起的切斷型疲勞斷口，斷面垂直或平行于軸線，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)貝紋線，有時(shí)扭轉(zhuǎn)疲勞也會(huì)出現(xiàn)混合斷裂。綜上所述，應(yīng)力集中影響貝紋線的形狀，應(yīng)力集中增大，相應(yīng)的貝紋線較平坦；名義應(yīng)力影響最終瞬斷區(qū)的大小，名義應(yīng)力增大，最終破斷區(qū)的面積增加；應(yīng)力狀態(tài)主要影響疲勞源的位置和數(shù)量，雙向彎曲，最小有兩個(gè)疲勞源以及相應(yīng)的擴(kuò)展區(qū)，旋轉(zhuǎn)彎曲則最終破斷區(qū)向旋轉(zhuǎn)的反方向偏轉(zhuǎn)一定角度。此外，對(duì)疲勞斷口有時(shí)還有另一基本特征即疲勞臺(tái)階。這是由于裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋前沿的阻力不

19、同，而發(fā)生擴(kuò)展方面上的偏離，此后裂紋開始在各自的平面上繼續(xù)擴(kuò)展，不同的斷裂面相交而形成臺(tái)階。一次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞源區(qū)，二次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)，它指明了裂紋的擴(kuò)展方向，并與貝紋線相垂直，呈放射狀射線。3、瞬時(shí)斷裂區(qū)由于疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使零件或試樣的有效斷面逐漸減小，因此，應(yīng)力不斷增加。對(duì)塑性材料，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至凈截面的應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力時(shí)，便發(fā)生瞬時(shí)斷裂，當(dāng)材料塑性很大時(shí)，斷口呈纖維狀，暗灰色；對(duì)脆性材料，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至材料的臨界裂紋尺寸c時(shí)，便發(fā)生瞬時(shí)斷裂，斷口呈結(jié)晶狀。因此，瞬時(shí)斷裂是一種靜載斷裂，它具有靜載斷裂的斷口形貌，是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。與其他兩

20、個(gè)區(qū)相比，瞬斷區(qū)的明顯特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂紋源區(qū)及裂紋擴(kuò)展區(qū)則為光亮區(qū)，有時(shí)光亮區(qū)僅為疲勞源區(qū)。瞬斷區(qū)的斷口形貌及其所占面積取決于材料性質(zhì)、幾何形狀、應(yīng)力集中程度、加載方式及大小以及環(huán)境等因素，若應(yīng)力較高或材料韌性較差，則瞬斷區(qū)面積較大；反之，則瞬斷區(qū)就較小。以上分別介紹了各種條件下出現(xiàn)的疲勞斷口三個(gè)區(qū)域的一般宏觀特征，它們是判斷零件疲勞失效的重要證據(jù)之一。但是影響疲勞斷口形貌的還有其他許多因素，諸如材料種類、強(qiáng)度級(jí)別及環(huán)境介質(zhì)等，這些因素可能使斷口三個(gè)區(qū)域的形貌及其界限模糊不清，所以實(shí)際零件的宏觀斷口形貌有時(shí)并不那么典型、分明。此外，在某些情況下，由于斷口的宏觀形貌在現(xiàn)場(chǎng)中遭破壞

21、或者由于斷口匹配面在斷裂過程中受到嚴(yán)重磨損等原因，以至于無法借助于它的宏觀形貌來判斷其失效性質(zhì)。在另一些情況下，雖然由斷口的宏觀形貌可以判斷其失效性質(zhì)，但尚需進(jìn)一步查明引起疲勞失效的原因，這時(shí)就需要借助于微觀斷口分析。2.3 疲勞破壞機(jī)理 2.3.1 疲勞裂紋萌生機(jī)理 材料中疲勞裂紋的起始或萌生，也稱為疲勞裂紋成核。疲勞裂紋形成后，將在使用載荷的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，直至斷裂發(fā)生。疲勞裂紋成核處，稱為“裂紋源”。 裂紋起源于高應(yīng)力處。一般來說，有二種部位將會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力： 1） 應(yīng)力集中處。材料中含有缺陷、夾雜，或構(gòu)件中有孔、切口、臺(tái)階等，則這類幾何不連續(xù)處將引起應(yīng)力集中，成為“裂紋源”。 2） 構(gòu)件

22、表面。在大多數(shù)情況下，構(gòu)件中高應(yīng)力區(qū)域總是在表面（或近表面）處，如承受彎曲或扭轉(zhuǎn)的圓軸，其最大正應(yīng)力或最大剪應(yīng)力在截面半徑最大的表面處。表面還難免有加工痕跡（如切削刀痕）的影響，環(huán)境腐蝕的影響。同時(shí)，表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)，有利于塑性滑移的進(jìn)行，而滑移是材料中裂紋成核的重要過程。 金屬大多是多晶體，各晶粒有各自不同排列方位。在高應(yīng)力作用下，材料晶粒中易滑移平面的方位若與最大作用剪應(yīng)力一致，則將發(fā)生滑移。 圖2-3 微裂紋形成示意圖滑移可以在單調(diào)載荷下發(fā)生，也可以在循環(huán)載荷下發(fā)生。圖2-3中示出了在較大載荷作用下發(fā)生的粗滑移和在較小的循環(huán)載荷作用下發(fā)生的細(xì)滑移。 在循環(huán)載荷作用下，材料表面發(fā)生滑移

23、帶“擠出”和“凹入”，進(jìn)一步形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生?；频陌l(fā)展過程與施加的載荷及循環(huán)次數(shù)有關(guān)，圖2-4 是多晶體鎳中同一位置在不同循環(huán)次數(shù)時(shí)的金相照片，其中的黑色圍線是晶粒邊界。由圖2-4可見，經(jīng)歷了104次循環(huán)后，只有少數(shù)幾處出現(xiàn)滑移，滑移線細(xì)，表示其深度較淺，用電解拋光將表面去除幾個(gè)微米，這些淺滑移線可以消除。隨著循環(huán)次數(shù)增加，滑移線（或滑移帶）越來越密集，越來越粗（深），如圖中到27104次循環(huán)時(shí)所示。 (a)104次 (b)5104次 (c)27104次圖2-4 循環(huán)載荷下多晶體鎳中滑移的發(fā)展 應(yīng)當(dāng)注意，滑移主要是在晶粒內(nèi)進(jìn)行的。深度大于幾個(gè)微米的少數(shù)幾條滑移帶穿過晶粒，成為“持

24、久滑移帶”或稱“駐留滑移帶”，微裂紋正是由這些持久滑移帶發(fā)展而成的?；浦辉诰植扛邞?yīng)力區(qū)發(fā)生，在其余大部分材料處，甚至直至斷裂都沒有什么滑移。表面光潔可延緩滑移，延長(zhǎng)裂紋萌生壽命。 2.3.2 疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理 疲勞裂紋在高應(yīng)力處由持久滑移帶成核，是由最大剪應(yīng)力控制的。形成的微裂紋與最大剪應(yīng)力方向一致，如圖2-5所示。 圖2-5 裂紋擴(kuò)展二階段 在循環(huán)載荷作用下，由持久滑移帶形成的微裂紋沿45最大剪應(yīng)力作用面繼續(xù)擴(kuò)展或相互連接。此后，有少數(shù)幾條微裂紋達(dá)到幾十微米的長(zhǎng)度，逐步匯聚成一條主裂紋，并由沿最大剪應(yīng)力面擴(kuò)展逐步轉(zhuǎn)向沿垂直于載荷作用線的最大拉應(yīng)力面擴(kuò)展。裂紋沿45最大剪應(yīng)力面的擴(kuò)展是第1階

25、段的擴(kuò)展，在最大拉應(yīng)力面內(nèi)的擴(kuò)展是第2階段的擴(kuò)展。從第1階段向第2階段轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應(yīng)力水平，但通常都在0.05mm內(nèi)，只有幾個(gè)晶粒的尺寸。第1階段裂紋擴(kuò)展的尺寸雖小，對(duì)壽命的貢獻(xiàn)卻很大，對(duì)于高強(qiáng)材料，尤其如此。與第1階段相比，第2階段的裂紋擴(kuò)展較便于觀察。C. Laird(1967)直接觀察了循環(huán)應(yīng)力作用下延性材料中裂紋尖端幾何形狀的改變，提出了描述疲勞裂紋擴(kuò)展圖2-6 塑性鈍化過程的“塑性鈍化模型”，如圖2-6所示。圖2-6(a)示出了循環(huán)開始時(shí)的裂紋尖端形狀；隨著循環(huán)應(yīng)力增加，裂紋逐步張開，裂尖材料由于高度的應(yīng)力集中而沿最大剪應(yīng)力方向滑移（圖b）；應(yīng)力進(jìn)一步增大

26、，裂紋充分張開，裂尖鈍化成半圓形，開創(chuàng)出新的表面（圖c）；卸載時(shí)已張開的裂紋要收縮，但新開創(chuàng)的裂紋面卻不能消失，它將在卸載引入的壓應(yīng)力作用下失穩(wěn)而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循環(huán)壓應(yīng)力作用下，又成為尖裂紋，但其長(zhǎng)度已增加了一個(gè)a。下一循環(huán)，裂紋又張開、鈍化、擴(kuò)展、銳化，重復(fù)上述過程。這樣，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，將在裂紋面上留下一條痕跡，稱之為疲勞條紋（striation）。 疲勞條紋不同于前述之海灘條帶, 斷口上的海灘條帶一般是肉眼（或用低倍放大鏡）可見的；疲勞條紋在晶粒級(jí)出現(xiàn)，必需借助于高倍電子顯微鏡才能觀察到；故一條海灘條帶可以包含幾千條甚至上萬條疲勞條紋。2.3.3 疲勞斷口的微觀特征 19

27、76年，Crooker指出，利用高倍電子顯微鏡可以觀察到三種不同的疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀破壞形式。即微解理型（microcleavage），條紋型（striation）和（microvoid coalescence）。圖2-7是我們?cè)?984年獲得的Cr12Ni2WMoV鋼疲勞裂紋擴(kuò)展微觀觀察照片。圖2-7(a)是微解理型，對(duì)應(yīng)于比較低的裂紋擴(kuò)展速率（10-5-10-7 mm/c）；圖2-7(b)是條紋型，對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率約為10-6-10-3 mm/c；圖2-7(c)是微孔聚合型,對(duì)應(yīng)于較高的疲勞裂紋擴(kuò)展速率（10-4-10-1mm/c）。其中，最值得注意的是微觀疲勞條紋。疲勞條紋的形成與載荷

28、循環(huán)有關(guān)，由條紋間距可以估計(jì)裂紋擴(kuò)展速率。微觀“疲勞條紋”不同于前述之?dāng)嗫诤暧^疲勞“海灘條帶”，海灘條帶的形成與周期載荷循環(huán)塊對(duì)應(yīng)，肉眼可見；疲勞條紋與單個(gè)循環(huán)載荷對(duì)應(yīng)，需要利用高倍電鏡 （103-104倍）才能觀察，一條海灘條帶可能含有成上千上萬條條紋。 (a)微解理型 (b)條紋型 (c)微孔聚集型圖2-7 Cr12Ni2WMoV鋼疲勞斷口微觀觀察照片 由疲勞破壞斷口提供的大量信息，可以對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的失效原因進(jìn)行分析。 例如，首先觀察斷口的宏觀形貌，由是否存在著裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)等三個(gè)特征區(qū)域，判斷是否為疲勞破壞；若為疲勞破壞，則可由裂紋擴(kuò)展區(qū)的大小，判斷破壞時(shí)的裂紋最大尺寸；進(jìn)而

29、可利用斷裂力學(xué)方法，由構(gòu)件幾何及最大裂紋尺寸估計(jì)破壞載荷，判斷破壞是否在正常工作載荷狀態(tài)下發(fā)生；還可以觀察裂紋起源的位置在何處。 再利用金相顯微鏡或低倍電子顯微鏡，可對(duì)裂紋源進(jìn)行進(jìn)一步觀察和確認(rèn)，并且判斷是否因?yàn)椴牧先毕菟?，缺陷的類型和大小。再進(jìn)行高倍電子顯微鏡微觀觀察，借此可以研究疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。 由宏觀“海灘條帶”和微觀“疲勞條紋”數(shù)據(jù)，結(jié)合構(gòu)件使用載荷譜分析，還可能估計(jì)裂紋擴(kuò)展速率。疲勞斷口分析，不僅有助于判斷構(gòu)件的失效原因，也可為改進(jìn)疲勞研究和抗疲勞設(shè)計(jì)提供參考。因此，發(fā)生疲勞破壞后，應(yīng)當(dāng)盡量保護(hù)好斷口，避免損失了寶貴的信息。 2.3.4 疲勞研究方法 疲勞斷裂問題，需要研究載

30、荷譜、裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律、構(gòu)件細(xì)節(jié)應(yīng)力分析、疲勞壽命預(yù)測(cè)和抗疲勞設(shè)計(jì)方法等等。一方面由于涉及因素多，問題復(fù)雜，難以找到解析的、普遍的壽命預(yù)測(cè)方法；另一方面，工程應(yīng)用的需求迫切。因此，研究問題時(shí)必須抓住主要因素，建立簡(jiǎn)化模型，逐步深化認(rèn)識(shí)。 例如，對(duì)于載荷譜，先研究恒幅循環(huán)載荷的最簡(jiǎn)單情況，再考慮變幅載荷下的損傷累積，最后考慮隨機(jī)載荷。對(duì)于裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律，則先研究不含缺陷的光滑材料在恒幅循環(huán)載荷載荷作用下的裂紋萌生規(guī)律，給出應(yīng)力壽命、應(yīng)變壽命及不引發(fā)裂紋的疲勞極限等基本關(guān)系，再討論應(yīng)用于構(gòu)件時(shí)所需進(jìn)行的必要的修正，建立裂紋萌生壽命估算方法，滿足無限壽命設(shè)計(jì)、安全壽命設(shè)計(jì)的需求。再討論含裂紋材

31、料的斷裂和疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，研究斷裂判據(jù)，研究在不同載荷譜作用下裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)，建立損傷容限設(shè)計(jì)方法。關(guān)于壽命預(yù)測(cè)和抗疲勞設(shè)計(jì)方 法，是依賴于對(duì)問題的認(rèn)識(shí)水平，從不考慮裂紋向考慮裂紋；從確定性分析向可靠性分析；從控制構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的安全向綜合控制設(shè)計(jì)制造使用維修，以安全和經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)；逐步發(fā)展、豐富的。此外，還應(yīng)研究疲勞破壞的基本機(jī)理，不斷積累、深化對(duì)于疲勞斷裂破壞的更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，不斷提高抗疲勞設(shè)計(jì)能力。疲勞斷裂研究的基本思路如圖2-8所示。 圖2-8 疲勞研究基本框圖 3 實(shí)例 腐蝕疲勞裂紋3.1 腐蝕疲勞的研究現(xiàn)狀腐蝕疲勞(CF)是工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在腐蝕環(huán)境與交變應(yīng)力協(xié)同、交互作用下，因開裂而

32、提前失效的現(xiàn)象。眾所周知，任何結(jié)構(gòu)或構(gòu)件是在一定的環(huán)境下使用的。惡劣的環(huán)境不僅會(huì)損傷材料的表面，更重要的是會(huì)降低材料的斷裂韌性，加快裂紋的形成與擴(kuò)展，甚至產(chǎn)生無預(yù)兆的突然斷裂。而金屬的腐蝕疲勞是化學(xué)工業(yè)、油氣開采及加工工業(yè)、熱能工業(yè)、造船工業(yè)、海洋開發(fā)業(yè)中常見的失效方式之一。自從1917年Haihg首先在腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)報(bào)告中提出腐蝕疲勞現(xiàn)象以來，距今已有近100年的歷史。此后直到1926年才有McAdma和Lhamnna出版了著名的有關(guān)腐蝕疲勞的論文，前者并引進(jìn)了新詞“腐蝕疲勞”。他們發(fā)表的論文激發(fā)了大家的興趣，隨后大量的研究均圍繞該題目展開。1930年，Hvarye寫道:“現(xiàn)在，腐蝕疲勞

33、現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是二十世紀(jì)冶金學(xué)的重大進(jìn)展，最初四年的研究顯示，腐蝕疲勞是遭受重復(fù)應(yīng)力的產(chǎn)品的主要問題”。在這之后人們逐漸認(rèn)為腐蝕疲勞是許多失效的原因，主要包括海軍的傳動(dòng)軸，駕駛桿和摩托車軸，鍋爐和耐熱管，泵桿，以及其他設(shè)備。從上個(gè)世紀(jì)40年代到50年代，腐蝕疲勞的研究主要圍繞油田的抽油管，礦山的巖石輸管，火車軸，船殼等方面而展開。自50年代初期起，隨著斷裂力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，疲勞裂紋擴(kuò)展問題日益得到重視，人們認(rèn)識(shí)到在絕大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例中的疲勞損傷是由循環(huán)作用的應(yīng)力和外界環(huán)境因素共同作用的結(jié)果所造成的，因此腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的研究便成為評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性、耐久性和可靠性以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容。60年代中

34、期Borwn和Beachem開創(chuàng)了SCC測(cè)試采納線性彈性斷裂機(jī)理方法取得的結(jié)果，吸引了大批的研究人員進(jìn)行腐蝕疲勞的研究。另外Leckie首先采用施加電位的方法來研究靜止放置的帶有裂紋試樣的裂紋生長(zhǎng)速率與施加電位的關(guān)系。這種方法后來成為腐蝕疲勞裂紋生長(zhǎng)FCG和工作條件下預(yù)防腐蝕疲勞的主流方法。不過當(dāng)時(shí)人們對(duì)腐蝕疲勞的認(rèn)識(shí)還局限于腐蝕疲勞機(jī)理和腐蝕疲勞性能的基礎(chǔ)研究方面。環(huán)境因素對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展影響的研究在60年代中期得到迅速的開展，并延續(xù)了近20年的時(shí)間。后來隨著人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的使用壽命不斷提高，特別是隨著飛機(jī)、船舶等工程構(gòu)件使用中暴露出來的腐蝕疲勞問題越來越嚴(yán)重，自70年代以來，腐蝕疲勞引

35、起了各國(guó)科學(xué)家和工程技術(shù)人員的廣泛重視，研究工作由50-60年代的基礎(chǔ)研究方面逐漸轉(zhuǎn)到腐蝕疲勞的應(yīng)用研究方面。在這期間腐蝕疲勞研究分析方面呈現(xiàn)兩個(gè)明顯特征。首先，大力研究腐蝕疲勞生長(zhǎng)速率;首要的任務(wù)是確定開裂生長(zhǎng)機(jī)理，主要從以下因素中確定:合金元素，熱處理，陰/陽(yáng)極保護(hù)參數(shù)，以及緩蝕劑等。其次發(fā)展了兩種重要的物理檢測(cè)方法(一種是采用預(yù)裂紋試樣和應(yīng)用裂紋力學(xué)方法，另一種是慢應(yīng)變速率測(cè)試技術(shù)STR刀，極大地提高了材料測(cè)數(shù)據(jù)的可信度。此外，這期間還出版了很多成績(jī)斐然的研究成果；如1971年Barosm首先指出低于KISCC時(shí)環(huán)境對(duì)腐蝕疲勞的作用只在逐漸增大的張應(yīng)力下才有效；1977年，Austin和

36、Walke認(rèn)為在腐蝕疲勞裂紋生長(zhǎng)的模型中，獨(dú)立的機(jī)械和化學(xué)作用是競(jìng)爭(zhēng)而不是疊加的。他們提出假設(shè)，在環(huán)境疲勞裂紋生長(zhǎng)速率中取決于兩個(gè)因素哪個(gè)更占優(yōu)勢(shì)，這也包括機(jī)械疲勞或循環(huán)腐蝕疲勞。80年代主要的進(jìn)展是在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和環(huán)形載荷下建立精確的模型，測(cè)定裂紋和裂縫的化學(xué)以及生長(zhǎng)的結(jié)果。Tunrbun和Fertiss報(bào)道了在腐蝕疲勞裂紋生長(zhǎng)條件下，化學(xué)因素對(duì)裂紋的限制。該研究支持了Borwn早期的研究成果，并對(duì)Borwn的遺漏部分作了科學(xué)的補(bǔ)充和分析。此間發(fā)表的論文對(duì)今后研究環(huán)境對(duì)裂紋生長(zhǎng)的影響研究起了引導(dǎo)作用。不久之后人們就開始采用預(yù)裂紋試樣或斷裂力學(xué)來解釋腐蝕疲勞試驗(yàn)。預(yù)裂紋試樣和斷裂力學(xué)的使用變得很

37、普遍。近20年多年來，物理學(xué)家和冶金學(xué)家使用掃描隧道顯微鏡、俄歇電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電鏡等現(xiàn)代分析檢測(cè)手段，并借助位錯(cuò)理論，力圖從微觀方面解釋腐蝕疲勞的基本現(xiàn)象，研究腐蝕疲勞失效機(jī)制；工程技術(shù)人員借助高速計(jì)算機(jī)和斷裂力學(xué)的發(fā)展，從宏觀方面力圖采用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)和半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理論去設(shè)計(jì)零件及系統(tǒng)。大量的研究工作集中在腐蝕疲勞裂紋門檻、疲勞短裂紋、變幅疲勞、環(huán)境介質(zhì)及復(fù)合加載下的疲勞，但總的看來，尚無重大的突破性進(jìn)展。值得注意的是隨著材料使用條件的苛刻，對(duì)材料本身的質(zhì)量和性能提出了更高的要求，而隨之產(chǎn)生的腐蝕疲勞問題也將日益受到人們的重視23,24,25，人們認(rèn)識(shí)到在絕大多數(shù)工程

38、結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例中的疲勞損傷是由循環(huán)作用的應(yīng)力和外界環(huán)境因素共同作用造成的。因此，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的研究便成為評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性、耐久性和可靠性以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容。由于腐蝕疲勞是涉及多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜問題，來自力學(xué)、化學(xué)及冶金學(xué)等方面的因素都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，這就會(huì)帶來應(yīng)用各種環(huán)境參與的裂紋擴(kuò)展模型時(shí)諸多困難與不便，因而，人們轉(zhuǎn)而去尋求適合工程應(yīng)用的方法。根據(jù)各種高強(qiáng)度材料和環(huán)境介質(zhì)所構(gòu)成的不同系統(tǒng)的腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅之間存在有3種典型的關(guān)系圖，如圖3-1所示。(a)A型 (b)B型 (c)C型 圖3-1 腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系的分類A型(da

39、/dN)cf-K曲線類似常規(guī)疲勞(da/dN)cf-K曲線的規(guī)律。介質(zhì)的存在使(da/dN)cf-K曲線的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值Kth、較常規(guī)疲勞的相應(yīng)值小，而裂紋擴(kuò)展速率較常規(guī)疲勞的裂紋擴(kuò)展速率大，當(dāng)K接近金屬材料的斷裂韌性時(shí)，介質(zhì)的影響減小，裂紋擴(kuò)展很快。鋁合金和水介質(zhì)系統(tǒng)屬于這種類型。B型在(da/dN)cf，隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅變化的曲線類似應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展曲線，當(dāng)K KISCC時(shí)，介質(zhì)對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響極大，出現(xiàn)水平臺(tái)階。一般情況下高強(qiáng)度鋼和氫介質(zhì)屬于這種類型。C型這一類型是A型和B型的混合型，大多數(shù)材料和介質(zhì)組成的系統(tǒng)屬于此類型。各種金屬材料腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，按裂紋擴(kuò)展速

40、率的高低和曲線的特征，大體可劃分為3個(gè)區(qū)：(l)近門檻區(qū)，(da/dN)cf 10-6m/cycle時(shí)，由于裂紋擴(kuò)展速率很高以致腐蝕環(huán)境的影響很小，而且裂紋在此區(qū)內(nèi)擴(kuò)展所占總裂紋擴(kuò)展壽命的比例非常小，工程意義不大。隨著人們對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展研究的開展和對(duì)這一現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的不斷深入，在定量估算環(huán)境對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展方面的影響已形成多種觀點(diǎn)。人們通過大量的試驗(yàn)研究建立了疊加模型、過程競(jìng)爭(zhēng)模型及位錯(cuò)偶極子模型等3種腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型。這些模型的建立為裂紋構(gòu)件的斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)和腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展余壽命預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。3.2 腐蝕疲勞機(jī)理1、氣相腐蝕疲勞機(jī)理氣相腐蝕疲勞又稱干腐蝕疲勞,指在不含水的氣體介質(zhì)

41、中的疲勞現(xiàn)象，在氣相腐蝕疲勞過程中，腐蝕性氣體與金屬材料通過化學(xué)腐蝕起作用，降低疲勞壽命。氣相腐蝕疲勞的機(jī)理,主要有4種模型 :1)氣體介質(zhì)溶解模型；2)氧化膜阻礙滑移模型；3)氧化膜強(qiáng)化表面模型；4)氣相吸附表面能降低模型。這些模型適應(yīng)于不同條件下的腐蝕疲勞，由于本文研究的腐蝕疲勞屬于液相腐蝕疲勞范疇,所以僅討論液相腐蝕疲勞機(jī)理。2、液相腐蝕疲勞機(jī)理液相腐蝕疲勞是指在電解質(zhì)溶液,尤其是含水的液體介質(zhì)中的疲勞現(xiàn)象。在液相腐蝕疲勞過程中，腐蝕性電解質(zhì)與金屬材料通過電化學(xué)腐蝕起作用，降低疲勞壽命。液相腐蝕疲勞，與空氣中的疲勞有很大的不同就光滑試樣而言，空氣中疲勞時(shí)裂紋形成壽命約占總壽命的90%，而

42、裂紋擴(kuò)展壽命僅占10%。腐蝕疲勞則相反，裂紋形成壽命減少到僅占腐蝕疲勞總壽命的10%，裂紋擴(kuò)展壽命則要占90%。對(duì)腐蝕疲勞過程的認(rèn)識(shí)可以從兩個(gè)方面考慮，一是介質(zhì)如何加速了裂紋的萌生和擴(kuò)展；二是循環(huán)形變?cè)鯓哟龠M(jìn)腐蝕過程的發(fā)展。介質(zhì)、形變對(duì)材料的交互作用在過程各個(gè)階段所起作用是不同的，腐蝕疲勞規(guī)律是比較復(fù)雜的，目前對(duì)腐蝕疲勞的機(jī)理仍有不少爭(zhēng)論，比較流行的觀點(diǎn)是腐蝕應(yīng)力集中、選擇性電化學(xué)侵蝕、鈍化膜的開裂、介質(zhì)吸附和氫致開裂等。1)腐蝕應(yīng)力集中：這種觀點(diǎn)認(rèn)為腐蝕造成的表面蝕坑引起應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋萌生。支持這種觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)是腐蝕疲勞裂紋多在半圓形的蝕坑底部出現(xiàn)，如鉆桿的腐蝕疲勞失效即是如此。在先腐

43、蝕的疲勞試驗(yàn)中，預(yù)腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，腐蝕強(qiáng)度下降越多。但后來有人發(fā)現(xiàn)蝕坑不完全是產(chǎn)生腐蝕疲勞的必要條件，如低碳鋼在酸性介質(zhì)中不產(chǎn)生蝕坑，腐蝕疲勞強(qiáng)度仍然顯著下降，而在pH值為12的鹽水溶液中，金屬表面盡管產(chǎn)生了一些蝕坑，但腐蝕疲勞強(qiáng)度卻變化不大，腐蝕疲勞裂紋并沿著蝕坑萌生。因此這種觀點(diǎn)比較適用于解釋活性腐蝕疲勞。2)選擇性電化學(xué)侵蝕：這種觀點(diǎn)認(rèn)為疲勞過程中產(chǎn)生集中形變區(qū)，這種區(qū)域中的位錯(cuò)組態(tài)或雜質(zhì)沉淀與基體不同，在動(dòng)態(tài)過程中這個(gè)形變集中區(qū)首先發(fā)生陽(yáng)極溶解。隨著疲勞過程的滑移形態(tài)的反復(fù)進(jìn)行，溶解不斷進(jìn)行，從而出現(xiàn)腐蝕溝，引起應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋萌生。3)鈍化膜開裂：這種觀點(diǎn)僅適用于鈍化態(tài)腐蝕疲勞。許多

44、金屬都能形成鈍化膜，但疲勞過程表面滑移臺(tái)階能破壞鈍化膜，裸露出的金屬在介質(zhì)中發(fā)生陽(yáng)極溶解。當(dāng)鈍化膜被修復(fù)后溶解停止，下一循環(huán)的滑移開始又重復(fù)同一過程，其結(jié)果形成了微觀溝槽，并使滑移越來越集中在該處,以至最終形成腐蝕疲勞裂紋。4)介質(zhì)吸附和氫致開裂：這種觀點(diǎn)與應(yīng)力腐蝕開裂性質(zhì)的溶解很相似，一般認(rèn)為在金屬材料表面分解的氫通過擴(kuò)散進(jìn)入金屬，在三軸應(yīng)力狀態(tài)的裂紋尖端塑性區(qū)聚集成原子團(tuán)使微裂紋形成，微裂紋與主裂紋前緣相連接而使裂紋向一前推進(jìn)。這種觀點(diǎn)的另一說法是由于裂紋尖端金屬表面吸附氫之后表面能降低，使裂紋尖端以張開型斷裂方式擴(kuò)展。支持上述這種觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)有：鋼在水溶液或水蒸汽中的疲勞斷口有準(zhǔn)解理和

45、沿晶小平面狀形貌，這些小平面在鐵素體中出現(xiàn)，并非由裂紋一次向前推進(jìn)造成上面有規(guī)則的疲勞紋。研究人員認(rèn)為這些脆性條紋是在主裂紋前形成的微裂紋,然后通過撕裂使微裂紋與主裂紋相連。上述四種流行觀點(diǎn)前三種著重于解釋腐蝕疲勞裂紋的萌生，而后一種觀點(diǎn)著重于解釋裂紋的擴(kuò)展。如前所述，腐蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕既有區(qū)別又有聯(lián)系，在同一過程中可能既存在腐蝕疲勞問題，也有應(yīng)力腐蝕開裂問題。對(duì)腐蝕疲勞過程裂紋擴(kuò)展的貢獻(xiàn)可用應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋擴(kuò)展速率來描述。在鈍化體系中，裂紋萌生行為主要受膜破裂機(jī)制或點(diǎn)蝕機(jī)制控制,而在活化體系中，陽(yáng)極溶解和氫脆機(jī)制的作用更明顯。3.3 現(xiàn)有研究方法和常用理論模型近20年來，我國(guó)在材料疲勞裂紋

46、擴(kuò)展領(lǐng)域的研究主要以實(shí)際應(yīng)用為背景， 針對(duì)廣泛應(yīng)用的各種合金鋼和鋁合金進(jìn)行。研究?jī)?nèi)容主要包括：(1)材料組織、力學(xué)性能、應(yīng)力比、低溫環(huán)境、鹽水環(huán)境、載荷波形以及隨機(jī)因素在對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響；(2)通過建立各種數(shù)學(xué)模型對(duì)裂紋擴(kuò)展的壽命進(jìn)行估算，對(duì)裂紋擴(kuò)展曲線進(jìn)行擬合，對(duì)各影響參數(shù)(如疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值)和裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系進(jìn)行描述；(3)疲勞變形機(jī)理和小裂紋的擴(kuò)展機(jī)理。在研究方法上，人們通常使用線彈性斷裂力學(xué)方法來研究裂紋的擴(kuò)展問題。實(shí)踐證明，對(duì)絕大部分材料而言， 用這種方法處理的裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果可完全適用于工程中對(duì)含缺陷構(gòu)件裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)。疲勞裂紋擴(kuò)展研究近50年的歷史中，最重大的成

47、就可以認(rèn)為是Paris將應(yīng)力強(qiáng)度因子幅K用來定量地描述疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提出了著名的Paris公式30,31。疲勞裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律通常用da/dN-K的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的裂紋擴(kuò)展速率曲線表示，如圖1-6所示。它可描述為：當(dāng)作用于裂紋尖端的循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅K低于門檻值Kth時(shí),裂紋不擴(kuò)展；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅略大于門檻值時(shí)，裂紋低速擴(kuò)展且隨K的增加裂紋擴(kuò)展速率快速升高，這一階段的擴(kuò)展被定性地稱為近門檻擴(kuò)展區(qū)；當(dāng)K繼續(xù)增加，裂紋擴(kuò)展速率由快速升高變?yōu)橐阅撤N幾乎恒定的升高速率緩慢升高，這一階段的擴(kuò)展被稱為中部穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)；當(dāng)K進(jìn)一步增加,裂紋擴(kuò)展速率再次變?yōu)榭焖偕咧敝磷罱K斷裂，這一階段的裂紋擴(kuò)展被稱為快

48、速擴(kuò)展區(qū)。上述近門檻區(qū)、中部穩(wěn)定區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)通常被分別稱為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)。對(duì)金屬材料的大量研究表明，上述各區(qū)段的裂紋擴(kuò)展具有不同的擴(kuò)展特征，表3-1列出了三個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的擴(kuò)展特征。圖3-2 疲勞裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律及其擴(kuò)展速率曲線的三個(gè)分區(qū)表3-1 三個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的擴(kuò)展特性 區(qū)段 A B C 術(shù)語(yǔ) 低擴(kuò)展速率區(qū) 中速穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū) 高速擴(kuò)展區(qū) （近門檻區(qū)） （Paris） 微觀失效模式 單剪切 雙滑移 附加靜態(tài)模式 斷口形貌 小平面或鋸齒形 輝紋 解理、準(zhǔn)解理或微孔聚集 裂紋閉合程度 高 低 微觀組織影響 大 小 大 應(yīng)力比影響 大 小 大 環(huán)境影響 大 復(fù)雜 小 應(yīng)力狀態(tài)影響 大 大

49、近頂端塑性區(qū) 小于或等于 大于或等于 遠(yuǎn)大于晶粒晶粒尺寸 晶粒尺寸 尺寸 現(xiàn)有的疲勞裂紋擴(kuò)展的定量模型都是建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上。在線彈性范圍內(nèi)，可以用應(yīng)力強(qiáng)度因子來描述應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)的全部特征。對(duì)此，已形成了很多較成熟的理論表達(dá)式和測(cè)試方法，但應(yīng)用最為廣泛的還是Parise-Erdogan公式( da/dN=C(K)n)、Forman方程da/dN = C(K)n / (1-R)KIC-K，以及由鄭修麟教授和Hirt教授提出的考慮了裂紋擴(kuò)展門檻值的裂紋擴(kuò)展速率方程da/dN=B(K2-Kth2)。這3個(gè)方程都可以很好的對(duì)裂紋在第二階段的擴(kuò)展特性進(jìn)行描述，但也有一部分科學(xué)家進(jìn)一步將應(yīng)力比、溫度

50、、頻率等因素對(duì)材料裂紋擴(kuò)展的影響轉(zhuǎn)化為一些表示具體含義的參數(shù)，使裂紋擴(kuò)展表達(dá)式更能直觀的表現(xiàn)出影響裂紋擴(kuò)展的具體內(nèi)在因素。比如，研究溫度對(duì)材料裂紋擴(kuò)展的影響時(shí)，F(xiàn). Jeglie考慮到在溫度變化條件下的裂紋擴(kuò)展是一種具有體擴(kuò)散機(jī)制的熱激活過程，Paris-Erdogan公式中的C和n應(yīng)該是激活能的函數(shù)，從而提出了改進(jìn)的裂紋擴(kuò)展表達(dá)式(3-1)，并且認(rèn)為表觀激活能Q=Q0-C2lnK可由每一個(gè)恒K下的lg(da/dN)-1/T 關(guān)系曲線的斜率求出。 （3-1）式中，C1和C2為常數(shù)，T為溫度，R為氣體普適常數(shù)，Q0為體擴(kuò)散激活能。如果進(jìn)一步考慮高溫下材料的蠕變對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，還可借助于G.A.

51、Webster 基于彈塑性斷裂力學(xué)中J 積分的概念提出的，控制蠕變裂紋擴(kuò)展速率的斷裂力學(xué)參數(shù)C來分析。由于C具有明確的物理意義，因此在許多蠕變裂紋擴(kuò)展過程中得以應(yīng)用，并且能獲得良好的效果。 從上述的裂紋擴(kuò)展模型看到，當(dāng)載荷條件和工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，材料的裂紋擴(kuò)展速率就會(huì)發(fā)生變化。為了能較準(zhǔn)確地估計(jì)出含裂紋構(gòu)件的疲勞壽命，需要對(duì)構(gòu)件材料裂紋擴(kuò)展行為的變化規(guī)律有一定的了解。3.4 試驗(yàn)分析以S135鉆桿鋼為例，按照GB/T6398-2000金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法的要求將原材料經(jīng)過機(jī)加工，制成150mm25mm4mm的單邊裂紋試樣，缺口尺寸4mm，用線切割加工而成。在腐蝕環(huán)境中，為了使腐蝕液在裂紋根部具有很好的流動(dòng)性，試驗(yàn)應(yīng)在低試驗(yàn)應(yīng)在低的頻率下進(jìn)行(頻率為10HZ)，腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl，pH值為7-8，介質(zhì)溫度控制在233之間，裂紋長(zhǎng)度由讀數(shù)顯微鏡測(cè)量。試樣形狀如圖3-3所示。圖3-3 單邊裂紋試樣圖在PLD-100型微機(jī)控制電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，頻率為5Hz，加載波形為正弦波，最大載荷Pmax=8.0kN，試驗(yàn)應(yīng)力比R分別為0.1，0.3，0.5，獲得不同應(yīng)力比下的da/dN-K關(guān)系。對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察獲取微觀組織圖像進(jìn)行分析。3.4.1 確定da/dN-K關(guān)系公式裂