疲劳和断裂读书报告

材料的疲劳和断裂读书报告

在这个报告里，首先阐述材料的疲劳和断裂机理、规律，其次阐述钛合金的疲劳和断裂，以及解决方法。在之前的本科课程里《工程材料力学性能》、《》、《失效分析》，对金属的疲劳、断裂、蠕变都进行了较为详细的阐述。同时，也进行了TC4合金的疲劳性能实验，因此对疲劳相关的知识有了一定的了解。

在大多数情况下，零件承受的并不是静载荷，而是交变载荷。在交变载荷作用下，材料往往在低于屈服强度的载荷下，发生疲劳断裂。例如，汽车的车轴断裂，桥梁，飞机等。因此对于疲劳断裂的研究是很有意义的。

一般来说，疲劳的定义是：金属材料或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。断裂的定义是：由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹扩展为失稳裂纹，最终材料发生断裂。在此，需要明确疲劳和断裂的关系。疲劳和断裂在机理研究和工程分析时是紧密相连的，只是疲劳更侧重于研究裂纹的萌生，断裂力学则侧重于裂纹的扩展，即带裂纹体的强度问题。

对于疲劳，阐述的思路是疲劳分类及特点，疲劳机理与断口，疲劳性能表征，影响疲劳的因素。对于断裂，从宏观和微观的角度分别阐述。

疲劳

疲劳分类及特点

疲劳分类方法如下：

按应力状态不同，可以分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；

按环境和接触情况不同，分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳；

按照断裂寿命和应力高低不同，分为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲劳也是低应力疲劳，低周疲劳即高应力疲劳。

疲劳特点如下：

材料在交变载荷峰值远低于材料强度极限时，就可能发生破坏，表现为低应力脆性断裂特征。这是因为，疲劳时应力较低（低于屈服强度），因此在宏观上看，材料没有塑性变形。在裂纹扩展到临界尺寸时，发生突然断裂。

材料疲劳是一个累积过程，尽管疲劳断裂表现为突然断裂，但是在断裂前经历了裂纹萌生，微裂纹连接长大，裂纹失稳扩展的过程。而形成裂纹后，可以通过无损检测的方法来判断裂纹是否达到临界尺寸，从而来判断零件的寿命。

疲劳寿命具有分散性。对于同一类材料来说，每次疲劳测试的结果都不会相同，有的时候相差很大。因此在测量疲劳寿命时，需要采用升降法和分组法来测得存活率为50%的疲劳强度。疲劳对于缺陷很敏感。这些缺陷包括材料表面微裂纹，材料应力集中部分，组织缺陷等。这些缺陷加速材料的疲劳破坏。

疲劳断口记录了疲劳断裂的重要信息，通过断口分析能了解到疲劳过程的机理。

疲劳裂纹形成和扩展机理及断口

一般把疲劳分成裂纹形成和裂纹扩展过程。而研究疲劳机理，都是借助于某一种模型来研究，这在断裂力学，蠕变过程的研究中经常看到。

裂纹形成：

资料表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要包括表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。

裂纹形成的延性材料滑移开裂模型。

在静拉伸过程中，可以在光滑试样表面看到滑移带，这是由于位错的滑移形成的。在交变载

荷下，金属表面的滑移带出现了“挤入”和“挤出”现象。尽管交变载荷的应力低于屈服强度，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。循环滑移是极不均匀的，集中分布于局部薄弱地区，并且会在试样表面形成驻留滑移带。驻留滑移带随着循环次数的增加而加宽，在此过程中，由于位错的塞积和交割作用，在驻留滑移带处形成微裂纹，同时还会出现挤出脊和侵入沟，形成应力集中和空洞，经过一定时间形成微裂纹。挤入和挤出可以通过交叉滑移模型来说明。即柯垂尔-赫尔模型，但是在此模型中，挤出和挤入分别是由两个滑移系统中形成的，和实验中观察到的挤出和挤入在同一滑移系的相邻部位不一致。

因此，从这个模型中可以看出，增加位错滑移抗力能阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。而位错滑移抗力主要有。。。。因此采用固溶强化和细晶强化等能提高疲劳强度。

相界面开裂产生裂纹

在这种模型中，疲劳源来自于材料中第二相或夹杂物，这分成两类，一是第二相、夹杂物和集体界面开裂，二是第二相、夹杂物本身开裂形成的疲劳裂纹。

因此其解决方法为，降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相的数量、形态、大小和分布，形成“少、圆、小、均”的分布，能提高疲劳强度。

（3）晶界开裂产生裂纹

位错在晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处形成产生位错塞积和应力集中。在应力不断循环下，晶界处应力超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。

因此，晶界强化、净化和细化晶粒能提高疲劳强度。一般来说，强化晶界的措施有。。。。。。。空穴聚集模型

循环加载会形成大量空穴，这些空穴聚集形成缺陷而最终形成裂纹。

裂纹扩展：

裂纹形成后就开始扩展，根据裂纹扩展方向，裂纹扩展分成两个阶段。

沿最大切应力方向滑移

微裂纹形成后，裂纹沿主滑移方向，以纯剪切方式向内扩展，多数微裂纹成为不扩展裂纹，只有少数裂纹会扩展2-3个晶粒范围。在此阶段，裂纹扩展速率很低，每次应力循环裂纹扩展量为0.1μm。

在断口中，第一阶段的形貌特征不明显，只有一些擦伤的痕迹；但在强化材料中可看到周期解理花样或准解理花样，以及沿晶开裂的冰糖状花样。

（2）裂纹沿垂直于拉应力方向扩展

裂纹扩展过程中，不断受到晶界的阻碍，裂纹的扩展路径发生变化，向垂直于拉应力的方向扩展。此阶段为裂纹亚稳扩展，在室温和无腐蚀条件下为穿晶扩展。其速率约为10-5-10-2mm/次。

断口分析表明，此阶段形成疲劳条带，每一条带可以视为一次应力循环的扩展痕迹。裂纹扩展方向垂直于条带。

断口特征：

（1）疲劳源

疲劳源一般在材料的薄弱部位产生，如材料表面（有缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷）、材料内部（有夹杂、缩孔、偏析等缺陷）。在裂纹亚稳扩展中，该区域不断摩擦挤压，因此显得光亮平滑。

（2）疲劳区

为裂纹亚稳扩展形成的区域，其特征为：断口平滑并有贝纹线。其中贝纹线的微观结构为疲劳条带。一般来说，贝纹线是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。

（3）瞬断区