疲劳裂纹萌生的微细观过程与内部疲劳极限理论
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。
疲劳断裂
六、疲劳裂纹源位置的判断
1、主要依据 1）断口表面光泽 2）粗糙度 3）棱边情况 4）台阶和线痕的方向 5）疲劳线的弧度方向
或冷热快速交变而造成零件内部的热应力交变。
热疲劳的断口特征
1、裂纹易起源于表面应力集中处，或有大的区域温 差部位。 2、疲劳裂纹一般为多条同时存在，扩展呈跳跃式， 忽宽忽窄，有时产生分枝、二次裂纹和沿晶开裂。 3、疲劳裂纹两侧有时因氧化造成合金元素贫化，使 其显微硬度低于基体。 4、热疲劳断口也分为裂源区、扩展区和瞬断区，微 观上除疲劳条带外，还常常出现韧窝。 5、断口正面和侧面均受氧化，因此需清洗后再进行 观察。
椭圆形贝壳状标记的偏心模式说明载荷不平衡
旋转疲劳宏观断口，棘轮与贝壳纹特征
双向弯曲疲劳断口
多源疲劳断口
疲劳辉纹
三、低周疲劳
高周疲劳是应变疲劳，应力小于材料的屈服 极限，断裂寿命一般大于104-105周次。 低周疲劳是应变疲劳，应力大于材料的屈服 极限，断裂寿命一般小于104-105周次。
四、腐蚀疲劳
腐蚀疲劳是材料在交变载荷和腐蚀介质联合作 用下发生的破坏。
1、疲劳寿命大大缩短。 2、交变载荷周期长短与每个周次的裂纹扩展量成正比。 3、断口上除疲劳破坏的特征外，往往还可见到腐蚀破 坏的特征。二者比例与应力大小和腐蚀强弱有关。
五、热疲劳
热疲劳由交变工作温度引起。
在温度交变过程中，金属零件不能自由膨胀或 收缩。
3.5 疲劳断裂
材料在周期性或间隙性载荷作用下，产生裂 纹乃至断裂的过程叫做疲劳断裂。 高周疲劳、低周疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、 热疲劳等
一、宏观特征
三个区： 疲劳源区
贝纹线不明显、多源
扩展区
疲劳线
瞬断区
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
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。
7
扩展寿命预测
4
8
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。
3
萌生机理
2
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
1
Content
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
2
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
【断裂力学】第10讲 疲劳裂纹
Kc 1.12 max ( ac )1/2;得ac =68mm
再由裂纹扩展速率方程得：Nc 189500次循环
二、影响疲劳裂纹扩展速率 的因素
王敏 2011-4-15
△K是控制裂纹亚临界扩展的重要物理量外 平均力 应力条件 加载频率 温度和环境 对da/dN 均有影响
1、平均力的影响
许多试验结果表明， 当△K一定时， da/dN 随应力比R的增加
疲劳裂纹扩展速率
➢疲劳裂纹扩展的定量表示用
是交变应力的循环次数增量a 或 da 是N相应的裂纹长度的增量N dN
➢长的疲度函劳的数裂a平。纹均扩增展量速，率它：是裂Na 纹或表dd长Na示度交a变，应应力力每幅循度环或一应次变裂幅纹度
➢如果已知瞬时裂纹扩展速率 ，初始裂纹长度 与临界
裂纹长度 数为：
疲劳破坏过程
• 裂纹成核阶段 • 微观裂纹扩展阶段 • 宏观裂纹扩展阶段 • 断裂阶段
• 高周疲劳：构件受的应力较低，疲劳裂纹在弹性区中扩展，裂纹 扩展至断裂所经历的应力循环周数 较高，或裂纹形成寿命较长， 称为高周疲劳。
• 低周疲劳：当构件应力较高或因应力集中，局部应力已超过材料 的易屈形服成极宏限观，裂N形纹f 成，较裂大纹的主塑要性在区塑，性在区交中变扩应展力，作裂用纹下形，成塑寿性命区较中短。 故陈低周疲劳。
1
C(
)m
ac f (a)m da
ai
式中， 是名义应力幅度， 为裂纹长度K函数。f (a)
f (a)
例题分析
边裂纹板a 0
0.5mm, 载荷为 max
200Mpa。R=0，
• 解材：料参数 ys 630Mpa， u =670Mpa, Kth 5.5Mpa
Kc 104Mpa, 裂纹扩展速率为da / dN 6.9 X1012 (K )3
疲劳裂纹萌生及扩展
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
第8章 疲劳裂纹扩展.
lg da/dN K=(1-R)Kmax
=(1- R) K c
10 -9
-5 ~-6 微孔聚合为主
10
条纹为主
微解理为主
1 2 3
高速率区: 有上限Kmax=Kc， 扩展快，寿命可不计。
中速率区: 有对数线性关系。 可表达为： da/dN=C(K)m
Kth
lg( K)
C、m和Kth，是 描述疲劳裂纹扩 展性能的基本参 数。
三种破坏形式:
微解理型 低速率
lg da/dN
微孔聚合为主
10 -9 -5 ~-6
10
条纹为主 微解理为主
条纹型 稳定扩展
1
2
3
Kth
lg( K)
微孔聚合型 高速率
2、裂纹扩展速率公式
Paris公式：
da/dN=C(K)m
第八章 疲劳裂纹扩展
第一节 疲劳裂纹的萌生与扩展机制
一、萌生机制
Cottrell-Hull 疲劳裂纹萌生机制
二、疲劳断口形貌分析
三个典型区域：
疲劳源区 疲劳扩展区 瞬时断裂区
疲劳海滩标记： 宏观、肉眼可见
疲劳条纹： 微观、显微放大以后可见
实际材料的疲劳条纹： 铝合金断面上的疲 劳条纹×12000倍
疲劳 裂纹 扩展 研究 需求 理论基础：线弹性断裂力学(1957) 计算手段：计算机迅速发展； 实验手段：高倍电镜、电液伺服 疲劳机，电火花切割机等 研 究 可 能
讨论张开型 (I型) 裂纹。 a＞＞rp，LEFM力学可用。
一、a N曲线
a (mm)
CCT CT