講解經(jīng)典金屬疲勞裂紋擴(kuò)展至斷裂機(jī)理
通常,疲勞裂紋擴(kuò)展可以分為三個(gè)階段:第I階段(裂紋萌生,shot cracks),第II階段(裂紋擴(kuò)展,long cracks),第III階段(瞬時(shí)斷裂,final fracture)
圖1—疲勞裂紋擴(kuò)展的階段和第二階段。
第I階段
一旦裂紋萌生以后,就會(huì)沿著大剪切應(yīng)力平面(約45º)擴(kuò)展,如圖1所示。這一階段被認(rèn)為是第I階段或者短裂紋萌生和擴(kuò)展階段。裂紋一直擴(kuò)展直到遇到障礙物,如晶界、夾雜物或珠光體區(qū)。它無(wú)法容納初始裂紋的擴(kuò)展方向。因此,晶粒細(xì)化是可以提升材料疲勞強(qiáng)度的利用了引入大量微觀障礙物的原理。晶界,在裂紋擴(kuò)展的第I階段需要克服晶粒的阻礙并越過(guò)晶界。表面機(jī)械處理,例如噴丸和表面滾壓也會(huì)引入一些微觀的障礙物,因?yàn)樗鼈兪咕Ы绫粔罕饬恕?/span>
圖2-無(wú)間隙鋼和鋁合金AA2024-T42中的疲勞條紋。圖(c)顯示了鑄造鋁合金的疲勞斷裂表面,其中疲勞裂紋是由鑄造缺陷形成的,表面呈現(xiàn)凝固枝晶;疲勞條紋由右上方的箭頭指示。
第II階段
由于裂紋擴(kuò)展,實(shí)際載荷的上升,應(yīng)力強(qiáng)度因子K不斷增加,在裂紋附近的不同平面上開(kāi)始發(fā)生滑移,于是就進(jìn)入了第II階段。相比之下第I階段裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向成45度角,進(jìn)入第II階段,裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向垂直,成90度角,如圖1所示。第II階段一個(gè)非常重要的特征就是斷口表面出現(xiàn)波紋,專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為疲勞輝紋(Striations),它需要在掃描電鏡的幫助下才能看清楚。并不是所有工程材料在發(fā)生疲勞時(shí),進(jìn)入第II階段都會(huì)產(chǎn)生疲勞輝紋。疲勞輝紋在純金屬和一些韌性較好的合金中出現(xiàn),例如鑄態(tài)的鋁合金。在鋼鐵里面,常常在冷作硬化的鋼中發(fā)現(xiàn)這種特征。圖2給出了一種在無(wú)間隙原子的鋼中和鋁合金中的例子。在韌性金屬斷口上產(chǎn)生的疲勞輝的機(jī)理是:裂紋連續(xù)鈍化和再銳化圖3所示。
圖3-萊爾德提出的第二階段條紋形成機(jī)制:(a)無(wú)載荷;(b)拉伸載荷;(c)大拉伸載荷;(d)載荷回復(fù)和(e)壓縮載荷。
第III階段
終,當(dāng)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,那么裂紋失穩(wěn),發(fā)生快速擴(kuò)展。在這一階段,裂紋的擴(kuò)展由失效的靜態(tài)模式控制,對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)、載荷比以及應(yīng)力狀態(tài)(平面應(yīng)力加載或平面應(yīng)變加載)非常敏感。
宏觀上看,疲勞斷口可以分為兩個(gè)主要區(qū)域,如圖4所示。個(gè)區(qū)域與疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)并且呈現(xiàn)出平滑的一面,因?yàn)閷?duì)偶斷裂面會(huì)發(fā)生相互摩擦。有時(shí)候,在斷口表面上能看到“海灘標(biāo)記”,它是載荷變化的結(jié)果,或因?yàn)榕R時(shí)停止加載,或因?yàn)檫^(guò)載在裂紋引入了壓縮殘余應(yīng)力。
終斷裂:斷口上其它的部分就對(duì)應(yīng)著終斷裂區(qū),呈現(xiàn)出纖維狀和不規(guī)則特征。在這個(gè)區(qū)域里,斷口既可以是延性的,也可以是脆性的。它取決于材料的力學(xué)性能,構(gòu)件的幾何尺寸或加載條件。
每一個(gè)區(qū)域的準(zhǔn)確比例取決于實(shí)際載荷水平。載荷越高,穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域比例越小,如圖4所示。在另一方面,如果加載的載荷較小,那裂紋擴(kuò)展較長(zhǎng)距離以后才能超過(guò)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,達(dá)到材料的斷裂韌度值,導(dǎo)致瞬時(shí)斷裂區(qū)較小,如圖4(b)所示。
圖4-疲勞斷裂面:(a)高加載荷;(b)低加載荷。
棘輪花樣:棘輪花樣是在疲勞斷口表面可以觀察到的另外一種宏觀特征。這些特征通常出現(xiàn)在多源開(kāi)裂的情形中,裂紋萌生于不同的位置時(shí),當(dāng)它們相互匯合時(shí),就會(huì)在斷口上出現(xiàn)臺(tái)階。因此,棘輪花樣的數(shù)量是裂紋起始點(diǎn)數(shù)量的一個(gè)很好的指標(biāo)。圖5給出了疲勞斷口上機(jī)輪花樣的細(xì)節(jié)信息。
圖5-因疲勞斷裂的SAE 1045軸上的棘輪標(biāo)記(箭頭所示)。
擴(kuò)展速率:相似于起始階段,很多因素會(huì)影響長(zhǎng)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。其中,應(yīng)該關(guān)注的就是載荷比和殘余應(yīng)力的影響。增加載荷比從趨勢(shì)上會(huì)增加長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率,如圖6所示。通常增加載荷比對(duì)Paris體系的影響比臨近門(mén)檻值和近失效區(qū)的影響小。接近門(mén)檻值應(yīng)力強(qiáng)度因子,比例R可歸因于裂紋閉合效應(yīng)。
圖6——R比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展曲線(xiàn)影響的示意圖。曲線(xiàn)上還顯示了接近臨界值、巴黎狀態(tài)和終失效區(qū)域。
幾種不同的機(jī)制導(dǎo)致裂紋閉合,可塑性誘導(dǎo)閉合如圖7所示。隨著裂紋的長(zhǎng)大,已在塑料區(qū)內(nèi)預(yù)先變形的材料現(xiàn)在在裂紋的塑性區(qū)形成包絡(luò)線(xiàn)。這導(dǎo)致垂直于裂紋表面的位移約束被解除。當(dāng)裂紋張開(kāi)的時(shí)候這并沒(méi)有問(wèn)題,然而,當(dāng)載荷下降以后,在小載荷來(lái)臨之前裂紋表面接觸,遮擋了裂紋。這種過(guò)早的接觸,也還有一些其它情況,如圖7所示。
圖7-由(a)塑性,(b)粗糙度(c)氧化物引起的裂紋閉合機(jī)制。
對(duì)于大多數(shù)材料,Paris體系被認(rèn)為“無(wú)閉合和不依賴(lài)于大應(yīng)力強(qiáng)度因子”。并且裂紋擴(kuò)展速率通常與不同R比率條件下的測(cè)試相似。接近終失效,當(dāng)Kmax接近KIC時(shí),R比率的影響與高的單調(diào)斷裂分量有關(guān)。
圖8:疲勞循環(huán)中,載荷比對(duì)keff的影響:(a)kmin<kcl(b)kmin>kcl
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