超高周疲劳裂纹萌生与初始扩展的特征尺度(洪友士,祝贺郑哲敏先生90华诞学术报告会 2014.9.29)
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。
聚焦疲劳断裂护航中国制造——记2018年度国家自然科学奖二等奖项目“超长寿命疲劳裂纹萌生机理与寿命预
随着科学技术的发展和设计、制
造水平的大幅度提高，高可靠长寿命产
品在军事、航空航天、电子工业、通信
等领域应用越来越广泛，而如何保障
其可靠性与预测其寿命也成了值得深
入研究的重要问题。
据统计，工程实际
中发生失效破坏70%以上是因疲劳断
裂所致，往往具有突发性和灾变性，疲
劳断裂是工程结构和装备安全运行的
最致命杀手之一。
“中国制造2025”提出，坚持“创
新驱动、质量为先、绿色发展、结构优
化、人才为本”的基本方针，尤其是在
质量层面，要想实实在在贯彻这一方
针，对于新型材料与结构力学问题、疲
王清远团队参加2018年度国家科学技术奖励大会聚焦疲劳断裂 护航中国制造
——记2018年度国家自然科学奖二等奖项目“超长寿命疲劳裂纹萌生机理与寿命预测”
本刊记者 倪海龙
外，相对于通常意义疲劳，
VHCF载荷
更小，疲劳损伤发展更慢，但破坏更突
然，危害更大；裂纹萌生往往在材料内
部，更难监测，机理更复杂；影响因素
多，积累数据少，理论研究更困难。
因
此，解决VHCF问题更是难上加难。
即使慢，驰而不息，纵令落后，纵
令失败，但一定可以达到他所向往的目
标。
尽管从事这一领域研究，面临的困
难不计其数，但是王清远及其团队成
员们多年来从未有过放弃，而是凭借
着一种“骐骥一跃，不能十步；驽马十
驾，功在不舍”的精神，不断前行，创造
了属于他们的科研新篇章。
王清远作为大会主席组织第六届国际VHCF会议
60 中国科技奖励CHINA AWARDS FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY。
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
1
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
1
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
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
基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型
基于表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命预测模型
孙振铎;吕松峰;庞彬;李伟
【期刊名称】《兵器材料科学与工程》
【年(卷),期】2024(47)2
【摘要】为了预测表面裂纹萌生与扩展的疲劳寿命,分别对渗碳CrMn钢的光滑试样与渗氮CrNi钢的光滑、缺口试样开展超高周疲劳试验,观察试样的疲劳缺口,分
析试样的S-N曲线及疲劳损伤机理。
考虑应力比、疲劳缺口系数与残余应力3种
因素,构建更准确的裂纹萌生寿命预测模型,并对表面失效的裂纹萌生寿命进行预测。
用Israel提出的裂纹扩展寿命预测模型计算裂纹扩展寿命,再将预测的裂纹萌生与
扩展寿命相结合得到总疲劳寿命。
结果表明:裂纹萌生寿命预测模型的预测结果与
试验结果基本一致,构建的新模型较可靠。
计算的总疲劳寿命与试验疲劳寿命相比,
绝大部分都小于3倍误差,寿命预测较精准。
【总页数】9页(P15-23)
【作者】孙振铎;吕松峰;庞彬;李伟
【作者单位】河北大学质量技术监督学院;河北省新能源汽车动力系统轻量化技术
创新中心;北京理工大学机械与车辆学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB114.3;O346.2
【相关文献】
1.GCr15轴承钢接触疲劳次表面裂纹和表面裂纹的萌生与扩展过程
2.Cu双晶的循环形变行为与疲劳裂纹萌生Ⅱ.疲劳裂纹萌生与早期扩展
3.铝锂合金疲劳裂纹萌生寿命和短裂纹扩展抗力
4.基于裂纹萌生和扩展的渗氮钢疲劳寿命预测
5.WE94镁合金长寿命疲劳小裂纹萌生和扩展行为研究
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【国家自然科学基金】_裂纹萌生和扩展_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
科研热词 裂纹 s-n曲线 金属材料 超高周疲劳 细观损伤 混凝土 沿晶断裂 数值模拟 σ相 laves相 gh4169 高钒高速钢 高温 非比例加载 非晶复合材料 非均匀性 陶瓷材料 铸轧辊辊套 铁路曲线 钢轨 过盈配合 裂纹扩展 自润滑 腐蚀 细观破裂过程 细观尺度 组织变性 纳米摩擦学 磨损机理 碳含量 破裂过程 破坏过程 疲劳裂纹 疲劳性能 热疲劳 热开裂 热冲击 点蚀 滚滑动 油膜轴承 氮化铬薄膜 氧化铝涂层 断裂机制 断口形貌 断口 数字图像 搅拌摩擦焊 掺杂 接触损伤 拉伸强度 扩展 微观尺度
激光熔化沉积 混凝土 沿晶扩展 氢致开裂(hic) 氢致开裂 横向裂纹 柔性电子 板条贝氏体 显微疲劳试验 时效 断口分层 断口 摩擦材料 接触强度 损伤变量 损伤 持久寿命 拉张应力 拉应力 扩散连接接头 快速成形 微观机理 微孔隙 微动疲劳 应力导向氢致开裂(sohic) 布孔方式 差值图像 局部化变形 寿命预测 寿命模型 夹杂物 失效力 大理岩 多部位损伤 塑性变形 堆焊 块状贝氏体铁素体 均匀化 图像特征 变形 厚壁胞体多孔结构 加速试验方法 剩余强度 再制造毛坯 偏析 仿真分析 亚表面 不锈钢板翅结构 α -sic x120管线钢 x100管线钢 tcp相 h_2s ct数
科研热词 裂纹扩展 蠕变 微观组织 预测模型 镍基合金 组织结构 直接时效 断裂机制 岩石力学 寿命预测 gh4169合金 黏聚力模型 高铬铸钢轧辊 高速火焰热喷涂 高温合金 霍普金森压杆 随机骨料模型 镁合金 铸钢 铝合金 铁路 钛合金 金属磁记忆 过时效 轻量化设计 转向架 车架 裂纹闭合 裂纹萌生和扩展 裂纹萌生 裂纹比拟法 裂纹扩展特性 表面裂纹 蠕变裂纹 蠕变破裂判断准则 蠕变破裂 翼型裂纹 纳米悬臂梁 等离子喷涂 稳定化工艺 磁荷 磁异变峰 硫化氢 破坏准则 疲劳裂纹扩展速率 疲劳裂纹 疲劳行为 疲劳极限 疲劳断口 疲劳寿命预测 疲劳寿命 界面分层
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Fish-eye
FGA Inclusion Nhomakorabeada A K m dN
2 N1 (m 2) AY m m
15
中国科学院 力学研究所
2.2 特征区参量（续）
假定，当萌生裂纹的裂尖塑性区尺寸 = 材料特征尺度， FGA 过程完成，即 rp＝lm . 因此
K FGA 6πb 4.342 b K th
对于钢， KFGA =5.54 MPa· m1/2 大量实验值处于该值附近 对于铝合金，KFGA =1.91 MPa· m1/2 大量实验值处于该值附近
300
Size, m
200
100
0 700
750
800
850
900
950
Maximum Stress, MPa
( 1% C, 1% Cr )
• FGA 尺寸：40 ~ 100 m （分布相对小） • 鱼眼尺寸：100 ~ 300 m（分布相对大）
• Hong Y, Lei Z, Sun C, Zhao A (2014) Int J Fatigue, 58, 144–151
π
2
K 1 K 6π y y
2
2
材料特征尺度（Nix and Gao, 1998）:
lm b y
2
b: Burgers 矢量, μ: 剪切模量, σy : 屈服强度
• Nix WD, Gao HJ (1998) J Mech Phys Solids, 46: 411 • Zhao A, Xie J, Sun C, Lei Z, Hong Y (2012) Int J Fatigue, 38: 46-56
6
中国科学院 力学研究所
I. 背景与问题（续）
★ 科学问题
• 超高周疲劳裂纹萌生机理及其局域变形和损伤特征
• 材料微结构形态和尺度影响高周、超高周疲劳行为的规律 • 疲劳裂纹从表面起源和从内部起源的竞争机制 • 描述超高周疲劳的预测模型
7
II. 特征区与临界值
2.1 特征与图像
• 超高周疲劳裂纹萌生基本特征 ？
1 1 ( m2) / 2 ( m2) / 2 afisheye aFGA
A=1.031012 & m=3.28 for da/dN (m/cycle) & K (MPam1/2) • 因此，FGA贡献的疲劳寿命, 即裂纹萌生寿命(Ni) :
Ni = Nf N1 N2
4
中国科学院 力学研究所
I. 背景与问题（续）
• 为什么研究超高周疲劳 ?
工程中（飞行器、汽车、铁路、桥梁、船舶等），结构和部件 需108及以上周次的疲劳寿命，甚至要求达到1010 周次
载荷频率 1 Hz，3年2个月 108 周次 载荷频率 10 Hz，1年 3.15108 周次
发动机叶片: 3000cyc/min, 20年, 1010
Maximum stress, MPa
600 500 400 300 200 100 0 10
5
VHCF
10
6
10
7
10
8
Number of cycles to failure
超高周疲劳 ？Very High Cycle Fatigue (VHCF)
107以上甚至1011周次的载荷循环而发生疲劳损伤断裂的过程； 对应的循环载荷低于传统疲劳极限； 亦称 Ultra-high Cycle Fatigue, Ultra-long Life Fatigue, Gigacycle Fatigue
• Hong Y, Lei Z, Sun C, Zhao A (2014) Int J Fatigue, 58, 144–151
17
中国科学院 力学研究所
2.3 FGA的寿命与速率（续）
• Ni/Nf 随Nf急剧增加 • Nf 小于106， FGA 对应的Ni小于70%
Ni / Nf
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 5 10
(50m) (200m) FGA • Zhou C, Qian G, Hong Y (2006) Key Eng Mater, 324-325: 1113 • Hong Y, Zhao A, Qian G, Zhou C (2012) Metall Mater Trans A, 43A: 2753-2762
• 2aFGA 可用于估算和预测裂纹萌生寿命和萌生区的裂纹扩展速率
• Hong Y, Lei Z, Sun C, Zhao A (2014) Int J Fatigue, 58, 144–151
14
中国科学院 力学研究所
2.2 特征区参量（续）
对于（平面应变）I 型裂纹，裂尖塑性区尺寸：
rp
1 2
10
TT 180 RB, Inc TT 180 RB, FGA TT 150 UL, Inc TT 150 UL, FGA
20
TT 180 RB TT 150 UL
8
1/2
16
Kfisheye, MPa.m
K, MPa.m
1/2
6
12
4
8
2
4
0 5 10
10
6
10
7
10
8
10
9
0 4 10
10
5
• 传统研究以107为载荷周次上限；107周次载荷循环而不发生破坏的应力为疲劳极限
800 700
Surface mode crack initiation Mixed mode of surface and subsurface crack initiation Subsurface mode crack initiation
KFGA : 材料剪切模量和Burgers 矢量的函数
• Zhao A, Xie J, Sun C, Lei Z, Hong Y (2012) Int J Fatigue, 38: 46-56
16
中国科学院 力学研究所
2.3 FGA的寿命与速率
★ 裂纹萌生特征区 FGA：发展速率？对疲劳寿命贡献？
KFGA=6MPa*m
Present data Liu Y et al [11] Li W et al [12] Li Y et al [13] Shiozawa et al [14] Zhao A et al [9]
有的情况, 2aFGA 不清晰
该特征尺度应仍存在
1200
1400
1600
Maximum Stress, MPa
中国科学院 力学研究所
超高周疲劳裂纹萌生 与初始扩展的特征尺度
洪友士
祝贺郑哲敏先生90华诞学术报告会
2014.9.29
中国科学院 力学研究所
祝贺郑先生九十华诞！
‒ 郑哲敏，连续介质力学与断裂，力学进展，1982，12(2)，133~140 ★ 分析了材料内部尺度即第二相粒子尺度对断裂行为的影响，结论： • “裂缝的扩展受控于和二相粒子等密切相关的裂缝顶端的细观过程，…。” • “裂缝顶端的特征尺度是一个很值得研究的问题，…。” ★ 特征尺度内涵：
重要现象与问题:
• 裂纹源区的变形和损伤特征及其机理 （鱼眼, FGA）? • FGA 对疲劳寿命的贡献 ? • FGA 裂纹的扩展速率 ? • 疲劳寿命的估计与预测 ?
11
中国科学院 力学研究所
2.2 特征区参量
400
180 RB, FGA 180 RB, Fisheye 150 UL, FGA 150 UL, Fisheye 1/2 Estimated value: KFGA=5.5MPa*m
12
中国科学院 力学研究所
2.2 特征区参量（续）
• a : 应力幅
K 0.5 a area
area : 夹杂物、FGA 或 鱼眼尺寸
• KFGA 位于 4 ~ 6 MPam1/2，处于对应的 Kth 范围 • KInc 小于 KFGA ，随疲劳寿命增加而略降低 • Kfisheye 保持 10 MPam1/2
10
6
10
7
10
8
10
9
Number of Cycles to Failure
Number of Cycles to Failure
13
• Hong Y, Lei Z, Sun C, Zhao A (2014) Int J Fatigue, 58, 144–151
中国科学院 力学研究所
2.2 特征区参量（续）
• 裂纹内部萌生和初始扩展 (max: 1024MPa, N: 3.5108)
FGA: Fine Granular Area
Inclusion (10m)
A: crack initiation and early growth B: crack fast growth C: final fracture
• Zhao A, Xie J, Sun C, Lei Z, Hong Y (2012) Int J Fatigue, 38, 46-56
9
中国科学院 力学研究所
2.1 特征与图像（续）
裂纹萌生与初始扩展: 鱼眼 + FGA
2aInc=35.3 m 2aFGA=66.3 m 2afisheye=206.2 m
• Natio T, Ueda H, Kikuchi M (1984) Metall Trans A, 15: 1431 • Qian G, Zhou C, Hong Y (2011) Acta Mater, 59: 1321 • Hong Y, Zhao A, Qian G, Zhou C (2012) Metall Mater Trans A, 43: 2753