疲劳裂纹萌生及扩展
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。
耐久疲劳分析-EN方法概述
耐久疲劳分析-EN概述
随着现代研究技术和手段的发展，可对疲劳裂纹开展更加详细的研究。
我们现在知道了一条疲劳裂纹是包含了萌生和扩展两个阶段过程，初期阶段裂纹是沿着与施加载荷方向约为45 角（最大剪应力）方向扩展的，穿过2到3 个晶粒边界后，裂纹扩展的方向变为与施加载荷方向约为90 角，这就是众所周知的裂纹扩展阶段I 和阶段II，如图所示。
此外，我们现在还知道了疲劳裂纹的萌生和扩展是由于微观角度的局部塑性剪切应变而产生的结果。
当August Wöhler首先提出最早的疲劳分析方法（SN）时，他还没发现疲劳裂纹扩展过程的2个阶段，因此SN方法计入了这两个阶段的寿命。
事实上，每个阶段包含了不同的物理机理，我们现在可以分别采用不同的分析方法。
EN（局部应变）法即用来计算阶段I的裂纹萌生寿命，而用断裂力学方法来计算阶段II的裂纹扩展寿命。
对于大多数构件来说，阶段II的裂纹扩展速度都是很快的以至于其寿命可以忽略掉。
局部塑性剪应变是真正驱动疲劳裂纹扩展的原因，因此以应变作为EN方法的输入是很合适的。
EN曲线可被认为是SN曲线的简单延伸，当应力是线弹性（如高周疲劳）时，通过两条曲线计算将得到相同的寿命结果。
当失效发生在1000次循环以下时，SN曲线是不可用的，此时只能用EN曲线来进行计算。
下图给出两条曲线应用场合的比较。
1。
断裂力学 疲劳裂纹的扩展
5.2 疲劳裂纹的扩展速率
a
疲劳裂纹扩展的定量表示用 N
或 da
dN
， N 是交变应力循环
次数增量， a 是相应的裂纹长度的增量。
疲劳裂纹扩展速率:
a N
（或
da dN
），表示交变应力每循环
一次裂纹长度的平均增量（mm/次），它是裂纹长度a、应
KK1m axK1m in
其中 K1max、K1min 分别是交变应力最大值和最小值所计算的应 力强度因子。
Paris公式为最基本的公式，许多学者提出了对其的修正方案。主 要有Donahue、Priddle、Walker等。
Paris应力强度因子理论与实验结果符合较好的一种 理论.
第 I 阶段 KI Kth 门槛值
（疲劳裂纹扩展寿命）
其中 Kf(a)为应力强度因子幅度，f ( a ) 是裂纹长
度的函数，c、m为常数。
三. 影响疲劳裂纹扩展速率的因素
虽然Paris公式中只有几个参数，但实际还有其它的影响因素：
1）平均应力 m 的影响：平均应力升高，da/dN升高， 故常在表面做喷丸处理，产生压应力，减小 m 。 2）超载的影响：大载荷时能产生塑性区，然后相当 于卸载，但塑性变形不能恢复，而弹性必须要恢复， 产生压应力，相当于减小 m ，故降低 da/ dN。 3）加载频率的影响。 4）其他因素的影响
dN
式中： 为裂纹尖端张开位移幅度。
2.J积分表达式
da C(J )r dN
C与r是材料常数，J积分写成： J2Y2 de
其中Y为裂纹的几何形状因子。
扩展速率为 1 0 3 mm/每循环.
4）断裂阶段 扩展到 a c 时，失稳导致快速断裂。
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。
金属材料疲劳裂纹萌生机理与扩展规律概述
金属材料疲劳裂纹萌生机理与扩展规律概述摘要：在飞行器结构中，如机翼与机身连接、发动机和发动机吊架连接等重要连接区的连接结构往往会因为受到严苛的循环载荷而萌生疲劳裂纹，随着疲劳裂纹逐渐扩展，最终导致结构发生断裂失效。
本文根据部分文献和相关书籍，对金属材料的疲劳裂纹萌生机理和扩展规律进行了梳理，结论表明影响裂纹萌生与裂纹扩展的主要参量、裂纹扩展不同阶段的扩展方向均有不同。
关键词：循环滑移；裂纹萌生；裂纹扩展；对于飞行器结构，疲劳裂纹是导致结构失效最主要且最危险的损伤形式之一[1]。
疲劳裂纹作为一种常见的机械损伤失效模式，约占总失效的50%~90%[2]。
在交变载荷、腐蚀环境等作用下，尽管结构的最大工作应力低于材料强度，但是经过一定的服役时间后，结构仍然会萌生疲劳裂纹并逐步扩展。
出现在大梁减轻孔、机身蒙皮、机翼机身接头等关键部位的疲劳裂纹会严重削弱结构的承载能力，其失稳破坏甚至会导致灾难性事故的发生。
因此研究飞行器结构的疲劳裂纹损伤萌生及扩展机理，准确地预测结构的疲劳寿命具有十分重要的工程意义。
1疲劳裂纹的萌生和扩展规律[3]金属结构材料在循环载荷作用下的疲劳损伤演化过程可以分为两个阶段：宏观裂纹萌生阶段和宏观裂纹扩展阶段，两个阶段的区别在于影响疲劳行为的因素，而控不同。
在宏观裂纹萌生阶段，控制裂纹萌生的重要参量是应力集中系数K1制宏观裂纹扩展的参量则是应力强度因子K。
从图1中可以看出，宏观裂纹萌生阶段可以细分为两个子阶段：一是微裂纹形核阶段；二是微裂纹扩展阶段，即微裂纹因扩展或相互作用而聚集合并，形成“主导”宏观裂纹的过程。
微裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段的交点通常认为是裂纹萌生与扩展的分界线，但实际上这个临界点的精确定义是无法定量描述，一般定性地认为：当微裂纹扩展不在依赖于自由表面状况时，裂纹萌生阶段结束。
图1 疲劳损伤演化[4]1.1 疲劳裂纹的萌生在很多情况下，裂纹萌生寿命占到疲劳寿命相当大的一部分，例如在高周疲劳中裂纹萌生寿命占总寿命的80%~90%，在超高周疲劳中裂纹萌生寿命可占到总寿命的99%，因此裂纹萌生阶段在整个金属材料疲劳过程中占有极为重要的地位。
疲劳破坏机理
疲劳破坏机理1、定义材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。
材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。
这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。
疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展问。
2、疲劳裂纹萌生机理金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。
通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。
如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。
因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响;同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。
构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。
随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。
这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。
在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。
从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。
随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。
3、疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。
在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45 度方向。
在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。
其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。
此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面（最大拉应力面）内扩展。
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
11
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）
8
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
材料断口分析第6章-疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
46
§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
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锯齿形断口
棘轮花样
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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 非对称（次表面）
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瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
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二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
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疲劳条纹(striation) 不同于海滩条带(beach mark) Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹:(金属学报,85)
透射电镜：1-3万倍
S
谱块
t
循环
条纹
条带
疲劳裂纹扩展的微观机理 1976 Crooker
Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金学报,85)三种破坏形式:
微解理型 microcleavage
3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。 4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。 5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。
疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
观察 工具 放大 倍数 观察 对象 肉眼，放大镜
1-10×
金相显微镜
10-1000×
电子显微镜
1000×以上
宏观断口， 海滩条带；
裂纹源，滑移， 条纹，微解理 夹杂，缺陷； 微孔聚合
4. 由疲劳断口进行初步失效分析
断口宏观形貌: 是否疲劳破坏? 裂纹临界尺寸? 是否正常破坏？
破坏载荷？
金相或低倍观察： 裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？
高倍电镜微观观察： “海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。 疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进 疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。 因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。
疲劳裂纹萌生与扩展
1.2 疲劳断裂破坏的严重性
1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业 部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影 响。 提交综合报告 “美国断裂破坏的经济影响” SP647-1 最终报告 “数据资料和经济分析方法” 断裂使美国一年损失1190亿美元 SP647-2
摘要发表于 Int. J. of Fracture, Vol23, No.3, 1983 译文见 力学进展， Vol15，No2，1985
疲劳裂纹扩展机理
“塑性钝化模型” C. Laird(1967)
S c b 0 a e d t
(a) (b) (c)
a. 开始时的裂尖形状； b. 应力增加，裂纹张开， 裂尖材料沿tmax方向滑移；
(d)
塑性钝化过程
(e)
c. 充分张开，裂尖钝化， 开创新表面； d. 卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失; e. 裂纹锐化，但已扩展了一个Da。 裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环， 将在裂纹面上留下一条痕迹（striation）。
延性金属中的滑移
约0.1m
材料表面 材料表面
a) 粗滑移
b) 细滑移
4 N=104应力集中 N=2.7 105 扰动载荷 10 滑移带 驻留滑移带 N=5 微裂纹、扩展 宏观裂纹、扩展 （多晶体镍恒幅应力循环）
裂纹由持久滑移带成核，最大剪应力控制。
循环 载荷 作用
持久 滑移 带 几条 微裂 纹 一条 主裂 纹
DS
沿最大剪应力面，第一阶段扩展
沿垂直于载荷作用线的最大拉应 力面扩展，第二阶段
材 料 表 面
阶段1
DS
阶段2
DS
疲劳裂纹扩展二阶段
从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸 主要取决于材料和作用应力水平，一般只有几个 晶粒的尺寸 (~0.05mm) 。 第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献 却很大，对于高强材料，尤其如此。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断 裂问题。
1.4 疲劳破坏机理与断口特征
一、断口宏观特征
典型疲劳断口，特征明显： 1)有裂纹源、裂纹扩展区和 最后断裂区三个部分。 2)裂纹扩展区断面较光滑， 通常可见 “海滩条带”, 还可能有腐蚀痕迹。
裂纹扩展区 海滩条带
最后断裂区
裂纹源
孔边角裂纹 断口 飞机轮毂疲劳断口
低应力、脆性材料
条纹型 striation 条纹间距=da/dN?
微孔聚合型 microvoid coalescence
高应力、韧材料
断裂(包括疲劳、腐蚀引起的断裂)
使美国一年损失1190亿美元,
为其1982年国家总产值的4%。
损失最严重的是： 车辆业 (125亿/年)， 建筑业 (100亿/年)， 航空 (67亿/年)， 金属结构及制品 (55亿/年).
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的 “涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡 重大事故，平均每年100次。(不包括中、苏) Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破 坏的50-90%，是机械、结构失效的最常见形式。