1.4.2疲劳

疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳三个阶段。了解疲劳各阶段的物理意义,对于认识疲劳本质,分析疲劳原因,采用强韧化对策等都很有意义。

大量研究表明,宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。关于疲劳裂纹萌生期,大都认为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。疲劳微裂纹可以由表面滑移带开裂产生。随着加载循环次数的增加,循环滑移带会不断地加宽,当加宽到一定程度时,由于位错的塞积和交割作用,便在驻留滑移带处形成微裂纹。裂纹也可以由于相界面开裂产生。在疲劳失效分析中,常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的。由此可以看出,只要能够降低第二相或者夹杂物的脆性,提高相界面强度,控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布,使之“少、圆、小、匀”,均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生,提高疲劳强度。此外,晶界开裂也会产生裂纹。多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性,位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用,在晶界处产生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下,晶界处得应力集中得不到松弛时,则应力峰越来越高,当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。

疲劳微裂纹萌生后即进入裂纹扩展阶段。根据裂纹扩展方向,裂纹扩展可分为两个阶段。第一阶段是从表面进入侵入沟,先形成微裂纹,随后,裂纹主要沿主滑移系方向(最大切应力方向),以纯剪切方式向内扩展。在此阶段,裂纹扩展速率较低,但缺口试样,可能不出现裂纹扩展第一阶段。在第一阶段裂纹扩展时,由于晶界的不断阻碍作用,裂纹扩展逐渐转向垂直于拉应力的方向,进入第二扩展阶段。第二扩展阶段是疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。电镜断口分析表明,第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样,称为疲劳条带。它是疲劳扩展时留下的微观痕迹,每一条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹、裂纹的扩展方向与条带垂直。一般滑移系较多的面心立方金属,其疲劳条带比较明显。而滑移系较少或组织状态比较复杂的钢铁材料,其疲劳条带往往短窄而紊乱,甚至看不到。

1.4.3低周疲劳概述

按照疲劳寿命高低和载荷不同,疲劳通常分为高周疲劳和低周疲劳。低周疲劳是指在低于次循环的 弹-塑性范围产生宏观裂纹或完全破坏的金属疲劳[12]。低周疲劳断裂应力水平较高,一般高于材料的屈服强度,在疲劳过程中通常有塑性应变发生,也称高应力疲劳或应变疲劳。低周疲劳试验通常在恒应变幅(塑性应变幅或总应变幅)下进行,主要研究循环塑性应变,应变控制下材料的疲劳寿命可表示为:

                                   

等式1.1中 表示塑性应变范围, 为疲劳延性系数,c为疲劳延性指数,对于多数金属来说,疲劳延性系数近似于单向拉伸真实断裂韧性,疲劳延性指数为负,大多数金属的疲劳延性指数值在-0.5~-0.7之间[8]。论文网

低周疲劳有以下特点:

(1)应力应变不呈直线,形成循环滞后环。

(2)用Δεp-N曲线描述材料的疲劳抗力。

(3)有几个疲劳源,形核期较短,裂纹扩展速率较大。

(4)低周疲劳的寿命取决于Δεp,高周的取决于Δk1,两者都是循环塑性变形累计损伤的结果。

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