孫寒驍

裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系

疲勞研究的發(fā)展及疲勞斷裂機(jī)理概述

孫寒驍

裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系

疲勞斷裂是零部件失效的主要形式之一，疲勞領(lǐng)域的研究對(duì)提高零部件工作可靠性減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要的意義。本文歸納了疲勞研究的發(fā)展歷程并詳細(xì)闡述了疲勞斷裂的機(jī)理。

疲勞；殘余應(yīng)力；組織結(jié)構(gòu)；表面形貌

0 引言

美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)對(duì)疲勞的定義為：材料在某一點(diǎn)或某些點(diǎn)上受到變化的應(yīng)力和應(yīng)變，經(jīng)過(guò)足夠次數(shù)的變化后最終產(chǎn)生裂紋或完全斷裂，在材料結(jié)構(gòu)中局部漸進(jìn)發(fā)生的這種永久變化過(guò)程稱之為疲勞。

疲勞斷裂是引起零部件失效的最常見(jiàn)﹑最重要的原因之一[1]。然而人類認(rèn)識(shí)并研究疲勞問(wèn)題只有不到兩百年的歷史。在實(shí)際發(fā)生的力學(xué)破壞當(dāng)中疲勞破壞占到了約50%～90%的巨大比例。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局于20世紀(jì)80年代開(kāi)展的關(guān)于斷裂造成損失的調(diào)查顯示1982年斷裂在美國(guó)造成的損失為1190億美元，占當(dāng)年國(guó)家GDP的4%。因此，疲勞問(wèn)題成為當(dāng)代科研人員所關(guān)注的亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題，如何防止疲勞斷裂的發(fā)生，如何提升零部件的抗疲勞壽命成為現(xiàn)代科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)難點(diǎn)領(lǐng)域[2]。

1 疲勞研究的發(fā)展與現(xiàn)狀

疲勞問(wèn)題最初是由德國(guó)工程師Albert于1829年在對(duì)礦山卷?yè)P(yáng)機(jī)焊接鏈條反復(fù)進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)后提出了第一份有關(guān)疲勞問(wèn)題的研究報(bào)告，緊接著1839年P(guān)oncelent在巴黎大學(xué)演講時(shí)首次提出了疲勞這一概念。Wohler是第一個(gè)對(duì)疲勞進(jìn)行系統(tǒng)研究的學(xué)者，他從1847年起針對(duì)當(dāng)時(shí)車軸臺(tái)肩多次發(fā)生斷裂的問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究并取得了豐碩的成果，例如設(shè)計(jì)發(fā)明了第一臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究了疲勞壽命與應(yīng)力的關(guān)系并提出了S-N曲線，這都為疲勞學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此之后，Ewing和Humfery首次發(fā)現(xiàn)了疲勞滑移痕跡與微裂紋，Almen解釋了噴丸強(qiáng)化提高材料抗疲勞強(qiáng)度的機(jī)制，Zappfe與Worden進(jìn)行了最早的斷口分析并觀察了疲勞輝紋，Manson﹑Coffin提出了曼森-柯芬方程，Wetzel在此方程基礎(chǔ)上提出了局部應(yīng)力-應(yīng)變疲勞分析法。在我國(guó)，疲勞研究起步較晚但發(fā)展較快，現(xiàn)如今很多科研部門﹑院校﹑工廠都對(duì)疲勞問(wèn)題做出了大量研究，取得了大量成果，但總體上看仍有許多可以改進(jìn)的地方。譬如目前我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)大部分仍然處在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段，僅在軸等少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)，這主要是由于國(guó)內(nèi)各材料疲勞及抗疲勞相關(guān)的性能缺乏，設(shè)計(jì)人員對(duì)疲勞問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足所造成的。因此目前疲勞領(lǐng)域仍有大量工作亟待完成，對(duì)提高零部件壽命及可靠性具有重要的意義。

2 疲勞斷裂的機(jī)理

疲勞是在零部件承受擾動(dòng)應(yīng)力的作用下發(fā)生的，它起源于高應(yīng)力應(yīng)變的應(yīng)力集中部位，在足夠次數(shù)的擾動(dòng)載荷作用下，應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋。在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)因擾動(dòng)載荷的作用，裂紋不斷擴(kuò)展直到達(dá)到臨界尺寸時(shí)零部件的因強(qiáng)度不夠而瞬時(shí)斷裂。因此疲勞是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，主要經(jīng)歷裂紋的萌生﹑發(fā)展﹑斷裂三個(gè)階段，疲勞壽命也就是裂紋萌生階段與裂紋發(fā)展階段這個(gè)兩階段壽命的和[3]。這也造成了典型的疲勞斷口由于疲勞斷裂發(fā)生的這三個(gè)階段而能觀察到裂紋源區(qū)﹑裂紋擴(kuò)展區(qū)﹑瞬間斷裂區(qū)三個(gè)部分[4]。

2.1 裂紋的萌生

裂紋主要從滑移帶，晶界，夾雜物﹑第二相與基體的界面等高應(yīng)力集中處開(kāi)裂，一般而言裂紋源只有一個(gè)，但也有可能有多個(gè)。在工程實(shí)際中疲勞往往起源于表面或近表面處，這是由于表面所受的約束少，并外部環(huán)境容易使表面產(chǎn)生劃痕﹑腐蝕坑等缺陷，裂紋在此萌生后逐漸向內(nèi)擴(kuò)展直至斷裂?；茙ч_(kāi)裂是由于在循環(huán)載荷作用下，材料產(chǎn)生塑性變形形成滑移帶，滑移帶因?yàn)閿_動(dòng)的作用在表面不斷被擠入擠出，逐漸形成小尺度的切口，再逐漸擴(kuò)展為宏觀尺度的裂紋。晶界﹑夾雜物﹑第二相與基體的界面開(kāi)裂與滑移帶開(kāi)裂類似，滑移面在循環(huán)載荷作用下滑移，在晶界或界面處受阻形成位錯(cuò)塞積，造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力峰值達(dá)到某一臨界值時(shí)便會(huì)造成開(kāi)裂。

2.2 裂紋的擴(kuò)展

裂紋的擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段裂紋在萌生后在交變載荷的作用下沿最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，具有一定的結(jié)晶學(xué)特性。此階段的裂紋數(shù)量較多，隨著裂紋的擴(kuò)展一部分在幾個(gè)晶粒的尺度就停止了，還有一部分連接成一條主裂紋，進(jìn)入第二階段。第二階段由于裂紋由材料表面約束少的地方進(jìn)入內(nèi)部，滑移受到巨大阻礙而由剪切擴(kuò)展方式轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞌U(kuò)展，此時(shí)不再具有結(jié)晶學(xué)特性。裂紋在擴(kuò)展的過(guò)程中會(huì)留下疲勞輝紋，疲勞輝紋方向與裂紋擴(kuò)展方向垂直，它的間距能夠反映出裂紋擴(kuò)展的速率。整個(gè)裂紋擴(kuò)展區(qū)由于整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程中不斷的張開(kāi)﹑閉合，相互摩擦使得斷口較為光滑平整，并常常會(huì)留下腐蝕的痕跡。

2.3 最后的斷裂

疲勞斷裂最后的斷裂是當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定的程度時(shí)，材料的強(qiáng)度下降到臨界值而發(fā)生的類似于靜載斷裂的瞬時(shí)斷裂，它的機(jī)理與靜載斷裂一致，但兩者加載速率不同，因而強(qiáng)度因子有所差別。瞬斷區(qū)一般會(huì)有45°剪切唇與大量韌窩。

2.4 斷口形貌特征

由前所述，斷口主要分為裂紋源區(qū)﹑擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三個(gè)區(qū)域。疲勞源區(qū)多呈半圓形或半橢圓形，面積最小，萌生于表面或應(yīng)力集中處，由于裂紋在此擴(kuò)展速度慢，所以較為平坦。裂紋擴(kuò)展區(qū)往往指第二階段的擴(kuò)展區(qū)，因?yàn)榈谝浑A段的只有幾個(gè)晶粒的尺度往往難以分辨，它位于疲勞源區(qū)與瞬斷區(qū)之間，面積最大，表面常出現(xiàn)海灘狀花紋或細(xì)晶粒，在靠近疲勞源區(qū)的區(qū)域由于在擴(kuò)展時(shí)被裂紋面不斷擠壓摩擦而會(huì)被磨光。瞬斷區(qū)多呈亮色粗晶粒，面積大小由載荷和材料本身決定。

[1]陳傳堯.疲勞與斷裂 [M].華中科技大學(xué)出版社，2003.

[2]李雪莉，李瑛，王福會(huì)，等.USSP表面納米化Fe-20Cr合金的腐蝕性能及機(jī)制研究 [J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2002，22(6)： 326-330.

[3]李瑛，王福會(huì).納米化對(duì)金屬材料電化學(xué)腐蝕行的影響.腐蝕與防護(hù)，2003，24(1)： 6-12.

[4]華文君，趙振業(yè)，丁傳富.300M鋼孔擠壓強(qiáng)化疲勞斷口掃描電鏡觀察與分析 [J].材料工程.1994，(1)： 31-34.