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疲劳断裂发展的四个阶段:裂纹成核、微裂纹、宏观裂纹、断裂

2019-12-13 14:07| 发布者: weixin| 查看: 179| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 疲劳断裂过程受许多因素的影响,比较复杂,但按裂纹发展过程大致可分为四个阶段
对于一个含有初始裂纹a0 的构件,在承受静载荷时,只要工作应力σ 小于临界应力σc,则构件在静应力水平下工作就是安全可靠的,只有当σ=σcK1=K1c时,才会发生脆性破坏。

但如果构件承受的是一个σ<σc 的交变应力,那么这个初始裂纹a0 会在交变应力作用下发生缓慢扩展,当扩展到a=ac 时,构件发生失稳破坏。从初始值a0 到临界值ac 这一段扩展过程,称为疲劳裂纹的亚临界扩展,也称为宏观裂纹a0 的剩余寿命阶段,如图1所示。
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图1

材料总的疲劳寿命N 由两部分组成,即形成寿命Ni (initiation) 及裂纹扩展直至断裂的寿命Np (propagation):
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疲劳断裂过程受许多因素的影响,比较复杂,但按裂纹发展过程大致可分为四个阶段:

1、裂纹成核阶段
在交变载荷作用下,构件如果没有裂纹或是无缺陷的光滑的零部件,虽然名义应力小于材料的屈服极限,但因为材料不均匀,在构件的表面局部区域仍然能产生滑移。用力学原理来解释,由于构件表面是平面应力状态,容易产生滑移,但看不到塑性变形特征。由于多次反复的循环滑移过程,便产生金属挤出和挤入的滑移带,由此形成微裂纹的核。

2、微裂纹扩展阶段
裂纹极形成后,微裂纹沿与主应力轴承45°的滑移面扩展。此阶段扩展深入表面很浅,大约十几微米,而且是有许多沿滑移带的裂纹,如图2所示。这个过程是裂纹扩展的第一阶段。
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图2

3、宏观裂纹扩展阶段
这一阶段是从微观裂纹逐渐过渡过来的宏观阶段,裂纹扩展速率增加,扩展方向与拉应力垂直,且是单一裂纹扩展。一般认为裂纹长度a 在0.01mm~ac 范围内的扩展为宏观裂纹扩展阶段,又称为裂纹扩展的第二阶段。

4、最后断裂阶段
当裂纹扩展到足够大即达到临界尺寸ac 时,便会产生失稳扩展而很快断裂。

以上是无初始裂纹的光滑表面构件的典型疲劳断裂过程。对于高强度材料,因为屈服强度高,缺口敏感性大,以及内部夹杂和硬颗粒多,往往直接在宏观的应力集中处裂纹形成核,并且沿夹杂与基本界面首先裂开,由此开始宏观裂纹稳定扩展阶段,而没有倾斜的微观裂纹扩展阶段。用断裂力学的观点来分析疲劳,最重要的是宏观裂纹扩展阶段。

来源:摘录自《疲劳、断裂与损伤》,作者:张安哥、朱成九、陈梦成。

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