• 零件的裂纹扩展寿命Np，可按下式估算，
Np

ac
ai
da (da / dN )
• 式中(da/dN)代表疲劳裂纹扩展速率表达式。
• 按上式计算裂纹扩展寿命，要选择合适的裂纹扩 展速率公式，确定初始裂纹尺寸ai和临界裂纹尺 寸 ac，即积分的上、下限。 • 目前，很多工程师仍采用Paris公式或作修正后的 Parjs公式，计算裂纹扩展寿命。
主讲教师: 王 泓
西北工业大学 材料学院
材料的力学性能
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8、3．1 疲劳裂纹扩展速率的测定
• 测定裂纹扩展速率采用紧凑拉伸(CT)试件、 中心裂纹(CCT)试件或三点弯曲试件，在固 定的载荷△P和应力比R下进行。 • 实验时每隔一定的加载循环数，测定裂纹 长度a，作出a-N关系曲线。
• 当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至 停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取 向不同。 • 微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂 纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度 的疲劳裂纹。
• 因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而 晶粒细化有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿 命。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
2024-T4铝合金中的滑移带裂纹
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
• 已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。
• 对其他的裂纹扩展机制，B＝1/(2πEσfεf)
适用于三个区的裂纹扩展公式 ：
da 4.8 1 1/ 2 1 2 K K th dN E K 1 R K C
3 / 2
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
塑性钝化模型
• 疲劳条带的形成通常引用塑性钝化模型予 以说明。可见，每加载一次，裂纹向前扩 展一段距离，这就是裂纹扩展速率da/dN， 同时在断口上留下一疲劳条带，而且裂纹 扩展是在拉伸加载时进行的。在这些方面， 裂纹扩展的塑性钝化模型与实验观测结果 相符。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
应力比对裂纹扩展速率的影响
• 实验研究表明，在Ⅰ区和 Ⅲ区，裂纹扩展速率受到 材料的显微组织、应力比 和环境等内外因素的很大 影响；而在Ⅱ区，上述因 素的影响相对地较小。 • 图表示应力比对Ⅰ区和Ⅲ 区的裂纹扩展速率影响很 大，而对Ⅱ区的影响则较 小。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8．2 疲劳裂纹扩展过程和机制
• 对光滑试件，疲劳裂纹扩展可分为I、II两个阶段。
• 第I阶段，裂纹沿着与拉应力成45o 的方向，即在 切应力最大的滑移面内扩展，如图所示。
• 第I阶段裂纹扩展的距离一般都很小，约为1-2个 晶粒，并且随着名义应力范围的升高而减小；
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
夹杂物与基体相界开裂
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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环境作用
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
• 疲劳条带只在塑性好的材料，尤其是具有面心立方晶格的 铝合金、奥氏体不锈钢等的疲劳断口上清晰地观察到。 • 在一些低塑性材料中，如粗片状珠光体钢，疲劳裂纹以微 区解理(Microcleavage)或沿晶分离的方式扩展，因而在这 类材料的疲劳断口上不能观察到疲劳条带。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
典型的疲劳断口
• 疲劳裂纹形成于零件的表面，然后在各个 方向上以近似相等的速度扩展，同时形成 辐射状的疲劳沟。 • 沿着疲劳沟可画出辐射线，辐射线的交点 即为裂纹形成的位置——疲劳源。
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• 对a-N 曲线求导，即得裂纹扩展速率， da/dN ，也就是每循环一次裂纹扩展的距离， 单位为 m/cycle。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
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8、3．2 疲劳裂纹扩展速率曲线
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单向拉伸时形成的滑移带
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旋转弯曲疲劳时形成的滑移带
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8、3．4 降低疲劳裂纹扩展速率的 途径
第八章 疲劳失效的微观过程和机制
• 近门槛区的裂纹扩展速率主要决定于裂纹扩展门 槛值ΔKth之值；相同的ΔK下，提高ΔKth之值，使 裂纹扩展速率大大降低。
• 粗化晶粒将提高材料的疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth 之值，见图，因而降低材料在近门槛区的裂纹扩 展速率。
• 将相应的裂纹 长度 a和△P， 代入应力强度 因子表达式计 算出△K 。最 后，绘制出 da/dN-△K关系 曲线，即疲劳 裂纹扩展速率 曲线，如图所 示。
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裂纹扩展速率曲线的分区
• 一条完整的疲劳裂纹扩展速率曲线可以分为三个区：Ⅰ区、 Ⅱ区和Ⅲ 区: • Ⅰ区，裂纹扩展速率随着△K的降低而迅速降低，以至 da/dN→0。与此相对应的△K值称为疲劳裂纹扩展门槛值， 记为△Kth 。实验测定的裂纹扩展门槛值常定义为： da/dN＝1~3×10-10 m/cycle时的△K值。又将Ⅰ区称为近 门槛区。 • Ⅱ区，为中部区或稳态扩展区，对应于da/dN ＝10-8-10-6 m／cycle。 在Ⅱ区， 裂纹扩展速率在log da/dN - log△K 双对数坐标上呈一直线。 • Ⅲ区，为裂纹快速扩展区，da/dN ＞10-6 - 10-5 m／cycle, 并随着△K的增大而迅速升高。当Kmax＝△K/(1-R)=KI C 时，试件或零件断裂。
持久滑移带(Persist Slip Band)
• 循环滑移带的又一个特征是它的持久性。在疲劳 试验的初期，就能观察到滑移带。随着加载循环 数的增加，循环滑移带的数目和滑移强度均增加。 对试件进行电解抛光，多数滑移带更为明显；
• 若除去滑移带，对试件重新循环加载，滑移带又 在原处再现。这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。 • 疲劳裂纹在持久滑移带中出现。
• 在Ⅱ区,裂纹扩展速率主要取决于裂纹扩展系数B。 而B之值取决于材料的性能和裂纹在Ⅱ区的扩展 机制，
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8、3．5 疲劳裂纹扩展寿命估算*
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
晶界或亚晶界开裂
镍基超合 金在 800℃下 循环加载 时由晶界 上的微孔 联接而形 成的沿晶 疲劳裂纹 （右）
镍基超 合金在 室温下 疲劳裂 纹沿滑 移面形 成（左）
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
8．1 疲劳裂纹形成的过程和机制
• 宏观尺度的疲劳裂纹形成一般包括这样三个阶段： 微裂纹的形成，微裂纹的长大和微裂纹的联接。
• 疲劳裂纹通常形成于试件或零件的表面。在某些 情况下，例如接触疲劳，表面硬化钢，疲劳裂纹 也会在表面层下一定的深度处形成。 • 疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：1）表面滑移 带开裂。2）夹杂物与基体相界面的分离或夹杂物 本身断裂。3）晶界或亚晶界开裂。
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第八章 疲劳失效的微观过程和机制
循环滑移带
• 在循环载荷作用下, 即使循环应力不超过屈 服强度，也会在试件表面形成滑移带, 称为 循环滑移带。 • 拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环 滑移带则集中于某些局部区域，如图所示。 而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入， 从而在试件表面形成微观切口。
• 在切口试件中，可能不出现裂纹扩展的第I阶段。