第5章 疲劳断裂 第2节 疲劳裂纹萌生
疲劳裂纹萌生机理
疲劳裂纹萌生机理疲劳裂纹萌生机理是材料疲劳性能研究中的重要内容。
材料在连续循环荷载下，会出现疲劳损伤，包括裂纹的萌生和扩展。
疲劳裂纹萌生是疲劳寿命的起始阶段，对材料的疲劳性能和工程设计有着重要影响。
疲劳裂纹萌生机理主要涉及材料微结构、应力场、裂纹极限尺寸、断口形态等因素。
下面将从这些方面逐一阐述。
1. 材料的微结构材料的微观结构对疲劳裂纹萌生影响较大。
材料中包括晶格等多个组成部分，这些组成部分对于疲劳裂纹的萌生和扩展起着一定的作用。
这是由于材料中的缺陷和组织结构是疲劳裂纹萌生的重要因素，缺陷包括金属脆性材料中的气孔、夹杂、析出物等，以及铸造、锻造、热处理等工艺引起的缺陷。
另外，材料的组织结构也将对材料的疲劳裂纹萌生产生影响。
组织结构包括晶格、晶界、非金属夹杂物、晶粒尺寸等。
2. 应力场分析应力场分析是揭示材料疲劳裂纹萌生机理的主要方法之一。
在应力场分析中，通过对载荷情况和应力场的定量分析，研究疲劳裂纹的萌生机制。
应力场分析的优点是能够给出车件中裂纹萌生位置和方向。
在断口形态上也能够给予算法定量计算依据，方便后续疲劳状态的有效预测。
3. 裂纹极限尺寸裂纹极限尺寸是疲劳裂纹萌生的重要参数之一。
通常认为裂纹极限尺寸是指能够被载荷识别的缺陷大小。
如果裂纹大小小到无法被载荷识别（尤其是高速载荷下）则会变成制造缺陷而不是真正的裂纹。
4. 断口形态断口形态也为疲劳裂纹萌生提供了重要参考依据，诸如沙漏断口、铁芯断口、穿肠断口等，这些不同的断口形态指向了不同的疲劳裂纹萌生机制。
总之，疲劳裂纹萌生机理十分复杂，不仅涉及材料的微结构、应力场等多个因素，还需要综合考量裂纹极限尺寸和断口形态等多方面因素，才能够真正理解裂纹萌生的机制。
只有深入研究裂纹萌生机理，才能够更好地掌握材料的疲劳损伤机制，从而为提高材料的疲劳性能和减少材料的失效风险提供实用的工程技术方案。
金属材料疲劳裂纹萌生机理研究
金属材料疲劳裂纹萌生机理研究在工业生产、机械应用和航空航天等领域，金属材料的疲劳破坏问题一直是关注的焦点。
疲劳是金属材料长期承受载荷应力反复变化导致的一种损伤形式，容易引起裂纹的生成和扩展，最终导致材料破坏。
因此，疲劳裂纹萌生机理是疲劳破坏研究中的重要问题。
疲劳裂纹萌生机理的研究涉及金属材料的微观结构、材料表面状态、加载方式、化学成分等多种因素。
疲劳裂纹萌生的过程一般可以分为三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展和裂纹的失稳。
其中，裂纹的萌生阶段是疲劳破坏的重要阶段，也是研究疲劳裂纹萌生机理的重要内容。
金属材料的疲劳破坏是一种复杂的过程，裂纹的萌生不是单纯的机械疲劳作用，而是多种因素共同作用的结果。
在金属内部，微观缺陷、晶界、夹杂物等是裂纹萌生的主要因素之一。
由于金属自身的结构不稳定性，存在着种种内在缺陷，一旦承受高应力的作用，这些内在缺陷就会扩大，导致裂纹的萌生。
此外，金属材料的化学成分也会对裂纹萌生产生影响。
特定的化学成分可以导致材料晶格的抑制和加强，从而影响裂纹的萌生。
金属材料的表面状态也是疲劳裂纹萌生的影响因素之一。
表面缺陷、氧化、腐蚀等可以通过减弱表面材料的强度和韧性，加速裂纹的萌生和扩展。
因此，在金属材料的加工过程中，对表面进行充分的打磨、喷砂等处理，可以有效地减少表面缺陷的存在。
最后，裂纹的萌生和扩展还与加载方式相关。
分别采用周期性载荷和阶段性载荷可以模拟金属材料在不同应力状态下的疲劳破坏过程。
大多数材料的疲劳寿命都可以用SN曲线表示，它是一组先定义好的实验数据标识了材料的应力极限，根据材料的特性（例如应力浓度，显微组织等）而不同。
综上所述，疲劳裂纹萌生机理的研究是金属材料疲劳破坏研究的重要方面。
裂纹的萌生涉及多个方面的因素，包括材料的微观结构、表面状态、成分等。
通过有效地预测和控制裂纹萌生机理，可以提高金属材料的疲劳寿命和性能，进而确保工业生产和应用的安全可靠。
第五章 材料的疲劳性能
• (4)波动循环（属于不对称循 环）：σ m>σ a，0<r<1。发动机 气缸盖、螺栓、无塔供水的容器、 液化气罐等承受这种应力。（大 拉小拉）
• 随机变动应力： 循环应力呈随机变化，如运行时因 道路或云层的变化，汽车、拖拉机及 飞机等的零件，工作应力随时间随机 变化。
二、疲劳破坏的概念和特点
• 该试验机结构简单，操作简便，能够实 现r=-1和σ m=0的对称循环和恒应力幅 的要求，应用比较广泛。 • 由于疲劳曲线是维勒(Wohler)在1860年 为解决火车轴断裂失效时首先提出的， 所以后人也称该曲线为维勒曲线。
测定疲劳曲线的方法
• 按标准(GB 4337—84)的规定先准备若干个尺 寸相同的试样，从0.67σb到0.4σb，选择几个 不同的最大循环应力σ1，σ2，…，σn。分别 对每个试样进行循环加载试验，测定它们从 加载开始到试样断裂所经历的应力循环数Nl， N2，…，Nn，然后在直角坐标图上将这些数 据绘制成σ—N曲线，或σ—lgN曲线。
• 按照应力幅和平均应力的相对大小， 循环应力有以下几种类型。
• (1)对称循环，σ m=0，r=－l，大多数 旋转轴类零件承受此类应力。 • (2)不对称循环：大拉小拉、大压小 压、 大拉小压、大压小拉等。 • (3)脉动循环（属于不对称循环）：
σ m=σ a>0，r=0，齿轮的齿根及 某些压力容器承受此类应力； σ m=σ a<0，r=∞，轴承承受脉动 循环压应力。
• 4、旋转弯曲疲劳：
• 瞬断区 是裂纹失稳扩展形成的区域。
在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增 加，裂纹不断增长，当增加到临界尺寸 时，裂纹尖端的应力场强度因子达到材 料断裂韧性时，裂纹就失稳快速扩展， 导致机件瞬时断裂。 • 该区的断口比疲劳区粗糙，宏观特征如 同静载，随材料性质而变。脆性材料断 口呈结晶状；韧性材料断口，在心部平 面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平 面应力区则有剪切唇区存在。
疲劳断裂第二节疲劳裂纹萌生
第1节 疲劳裂纹的萌生
循环硬化与软化
恒定应变幅下实验 循环硬化
恒定应变幅下实验 循环软化
描述循环硬化、软化的方法
• 裂纹萌生前组织结构变化； • 裂纹萌生；
交变载荷下组织结构的变化
位错密度： 晶粒碎化； 驻留滑移带； 挤入、挤出；
裂纹萌生
位置：表面 •受力最大； •应力集中； •与环境接触； •损伤； •平面应力状态，易于滑移
基体位错结构
PSB结构与性质
驻留滑移带：循环硬化饱和的材料，滑移过程局部化结果。 PSB比基体软，在循环应力应变曲线中，PSB承担全部应变。
什么是PSB? Cu单晶表面PSB
PSB处萌生裂纹
裂纹萌生其它方式 晶界开裂模型
沿晶界的疲劳裂纹
第二相界面开裂
所有裂纹形成方式均与滑移有 关！！！
4030钢疲劳裂纹
沿孪晶界形成疲劳裂纹
挤入挤出模型（Cottrell－Hull）
挤入挤出形成的机制
1.交滑移 2.试样形状变化或不同滑移面上应力不同 3.滑移产生点缺陷 4.滑移不对称
结果：在PSB处不同滑移面上产生不同的净滑 移量
•腐蚀环境 •高温条件 •晶间应力
疲劳裂纹沿晶界萌生晶界开裂Biblioteka 型晶界萌生疲劳裂纹的必要条件
• 晶界位相差大 • 滑移角度 • 晶界角度大
晶内滑移系 晶界与表面交线
疲劳裂纹其他萌生方式
4030钢疲劳裂纹
第二相界面开裂
所有裂纹形成方式均与滑移有 关！！！
疲劳裂纹扩展
第1阶段扩展机制
塑性 钝化 模型
位移 模型
第1阶段扩展机制
材料失效分析(第五章-疲劳)
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
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第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
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4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
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二、疲劳裂纹扩展模型
材料性能学第五章 材料的疲劳性能
§5.2 疲劳破坏的机理
一、疲劳裂纹的萌生
因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或 高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。常 将长0.05～0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期 为裂纹萌生期,其长短与应力水平有关。疲劳微裂纹由不均 匀滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂；第 二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界 处开裂，如下图所示。
σ-1p=0.85σ-1
• 铸铁:
σ-1p=0.65σ-1
• 钢及轻合金:
τ-1=0.55σ-1
• 铸铁:
τ-1=0.80σ-1
• 同种材料的疲劳强度σ-1＞σ-1p ＞τ-1。这些经验关系尽
管有误差(10～30%),但用于估计疲劳强度值还有一定的参考
价值。
4.疲劳强度与静强度间关系
材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。中、低强度钢,
(1)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，不论在静载下显 示韧性或脆性破坏的材料，在疲破坏前均不会发生明显的塑 性变形，呈脆性断裂,易引起事故造成经济损失。
(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的 预测就显得十分重要和必要。
(3)疲劳对缺陷(缺口,裂纹及组织)十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大 对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等), 将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与 发展。
1.对称循环疲劳强度
对称应力循环时，应力比r=-1，平均应力
σm=0，故将σ-1定义为材料的对称循环疲劳强
度。 常见的对称循环载荷有对称弯曲,对称扭转、
对称拉压等。 对应的疲劳强度分别记为σ-1,τ-1 及σ-1P,其中σ-1是最常用的。
疲劳裂纹萌生机理
疲劳裂纹萌生机理
疲劳裂纹萌生是材料疲劳破坏的主要形式之一，其萌生机理是材料科学研究的重要领域之一。
研究表明，疲劳裂纹萌生具有明显的循环性，即材料在循环荷载下发生微小的变形和位移，导致材料表面出现微小的裂纹，随着循环次数的增加，这些微小裂纹会逐渐扩展并最终导致材料疲劳破坏。
疲劳裂纹萌生的机理涉及多种因素，包括材料的力学性能、应力水平、循环次数、温度、湿度等因素。
其中，应力集中是裂纹萌生的主要原因之一，因为应力集中会导致材料局部应力过大或者过小，从而导致材料出现微小裂纹。
此外，材料的组织结构和缺陷也会影响裂纹萌生，比如材料中存在的夹杂物、气孔和晶界等缺陷会加速裂纹的萌生和扩展。
为了有效地预测和控制材料的疲劳寿命，研究人员需要深入了解疲劳裂纹萌生的机理和规律，并采取相应的措施来减少应力集中、提高材料的强度和延展性、改善材料的组织结构等。
只有通过综合的措施来减少疲劳裂纹的萌生和扩展，才能延长材料的使用寿命，提高材料的安全性和可靠性。
- 1 -。
材料力学性能总结3
2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量 估算方法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其
接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc
的三倍。
设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，
作用于表面上的法向力为P 。假定磨屑呈半球 形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，设所有
粘着点的尺寸相同，直径为d，则：
2020/5/4
p
n d 2
4
3 sc
单位滑动距离内的接触点数
N
n d
4p
3scd 3
W
KNV' L
K
4p
3scd 3
2
3
d 2
3
L
K
pL
9 sc
K
pL 3H
接触点半球体积
V
'
2
d
3
3 2
H 3 sc
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
二、 表面强化及残余应力的影响
表面热处理及表面化学热处理：
整体加热(低淬透性钢、薄壳件) 利 表面淬火 火焰加热
用组织
相变获得表
感应加热
面强化，可使机
渗碳
件获得表硬心韧的 表面化学热处理
良好综合性能，可利用 组织相变及组织应力、热应
渗氮 碳氮共渗
力的变化，使机件表层获得很 高的强度和残余压应力。
复合强化
铁qf＝0-0.05。 • （铸铁中石墨片尺寸一般大于临界裂纹扩展尺
寸，再有缺口影响不大）
2020/5/4
• 第三节 疲劳裂纹扩展速率 a
及扩展门槛值
ac1
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第1节 疲劳裂纹的萌生
循环硬化与软化
恒定应变幅下实验 循环硬化
恒定应变幅下实验 循环软化
描述循环硬化、软化的方法
• 裂纹萌生前组织结构变化； • 裂纹萌生；
交变载荷下组织结构的变化 位错密度： 晶粒碎化；
驻留滑移带；
挤入、挤出；
Байду номын сангаас
裂纹萌生
位置：表面
•受力最大；
•应力集中；
•腐蚀环境 •高温条件 •晶间应力
晶界开裂模型
晶界萌生疲劳裂纹的必要条件
• 晶界位相差大 • 滑移角度 • 晶界角度大
晶内滑移系
晶界与表面交线
疲劳裂纹其他萌生方式
4030钢疲劳裂纹
第二相界面开裂
所有裂纹形成方式均与滑移有 关！！！
疲劳裂纹扩展
第1阶段扩展机制
塑性 钝化 模型
•与环境接触； •损伤；
•平面应力状态，易于滑移
PSB结构与性质
基体位错结构
驻留滑移带：循环硬化饱和的材料，滑移过程局部化结果。
PSB比基体软，在循环应力应变曲线中，PSB承担全部应变。
什么是PSB? Cu单晶表面PSB
PSB处萌生裂纹
裂纹萌生其它方式 晶界开裂模型
沿晶界的疲劳裂纹
位移 模型
第1阶段扩展机制
第二相界面开裂
所有裂纹形成方式均与滑移有 关！！！
4030钢疲劳裂纹
沿孪晶界形成疲劳裂纹
挤入挤出模型（Cottrell－Hull）
挤入挤出形成的机制
1.交滑移 2.试样形状变化或不同滑移面上应力不同 3.滑移产生点缺陷 4.滑移不对称
结果：在PSB处不同滑移面上产生不同的净滑 移量
疲劳裂纹沿晶界萌生