疲劳短裂纹萌生与扩展
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。
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。
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
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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
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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
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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
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
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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
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 -。
疲劳短裂纹萌生与扩展
织相互作用而产生的曲折效应和闭合效应导致了短裂纹初始扩展的裂纹
减速特征。
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扩展寿命预测
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参考文献
5
[1]
郭万林，傅祥炯 .论疲劳短裂纹.航空学报，1990.
[2]
王璐，王正，宋希庚，王 魁，赵子豪.疲劳短裂纹理论及寿命
预测方法新进展. Journal of Mechanical Strength，2012.
其扩展速率不遵循Paris公式，这种裂纹称为短裂纹。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90%的疲
劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于
损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了
解其在短裂纹阶段的行为。
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萌生机理
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短裂纹的形成有三种解释：
一是在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学
性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高
且饱和值大；而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和
值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开
裂而产生短裂纹。
二是认为疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载
疲劳短裂纹萌生与扩展
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疲劳短裂纹提出
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萌生机理2Biblioteka 短裂纹扩展34
扩展寿命预测
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疲劳短裂纹提出
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早期科学家建立起线弹性断裂力学（LEFM），并且Paris提出了一
个著名的经验公式，用来描述疲劳裂纹扩展速率：/=∆^，他
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萌生机理
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短裂纹的形成有三种解释： 一是在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学 性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高 且饱和值大；而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和 值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开 裂而产生短裂纹。 二是认为疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载 荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的 铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面 形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。 三是认为疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶 界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又 会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
短裂纹生长受到晶粒取向的影响
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短裂纹扩展
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3.3 闭合效应 疲劳裂纹扩展往往伴随发生裂纹的闭合效应。如图所示，闭合效应 可以由局部塑性区,腐蚀产物,或裂纹的粗糙面等因素产生。一般地,闭合 效应的作用随裂纹长度的延伸而增强。研究指出，短裂纹与材料细观组 织相互作用而产生的曲折效应和闭合效应导致了短裂纹初始扩展的裂纹 减速特征。
疲劳短裂纹萌生与扩展
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1 疲劳短裂纹提出
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萌生机理
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短裂纹扩展
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扩展寿命预测
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疲劳短裂纹提出
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早期科学家建立起线弹性断裂力学（LEFM），并且Paris提出了一 个著名的经验公式，用来描述疲劳裂纹扩展速率：������������/������������=������∆������^������，他 取得了成功，该公式得到了广泛的应用。然而对于长度很小的短裂纹， 其扩展速率不遵循Paris公式，这种裂纹称为短裂纹。 据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90%的疲 劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于 损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了 解其在短裂纹阶段的行为。
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扩展寿命预测
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参考文献
5
[1] [2] 郭万林，傅祥炯 .论疲劳短裂纹.航空学报，1990. 王璐，王正，宋希庚，王 魁，赵子豪.疲劳短裂纹理论及寿命 预测方法新进展. Journal of Mechanical Strength，2012.
[3]
洪友士，方尴.疲劳短裂纹萌生及发展的细观过程和理论.1993.
4
短裂纹扩展
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短裂纹扩展
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3.2 曲折效应 晶粒尺度对短裂纹行为的影响 往往体现在晶界对裂纹扩展的障碍 作用。而相邻晶粒具有不同的晶体 取向也使得裂纹在晶粒内的走向具 有相应的晶体学特征。如图所示， 由于晶粒Y与晶粒X的滑移系统取向 不同，因此裂纹由晶粒X传播到晶 粒Y将发生曲折。若晶粒X的滑移系 统的施密特因子较大，相应地将获 得较大的临界分切应力；而Y晶粒 里的滑移系统可能具有较小的分切 应力。这样裂纹由X到Y将发生偏转 ，其传播速率将受到明显的影响， 裂纹的这种行为往往被称为“曲折 效应”。