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材料疲劳裂纹产生及其预防措施材料疲劳裂纹产生及其预防措施 姓名：李扬 金材082 班 材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特 别是在焊缝和一些材料薄弱环节。 这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹， 宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。 疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观 上一般来说可分为三个阶段:裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展。 1.1.疲劳裂纹疲劳裂纹产生产生 疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力 方向上。 在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈 45 度方向。 在循环载荷的 继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。 其中大多数微裂纹很快就停止 扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。 此后逐渐偏离原来的方向， 形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面(最大拉应力面)内扩展。 裂纹由滑移面向最大拉应力面的转变称为裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展 的转变。 随着循环拉应力的增大，裂尖材料由于高度的应力集中而发生塑性屈服 材料沿最大剪应力方向产生塑性滑移。 循环拉应力进一步增大，滑移区扩大使裂 尖钝化而呈半圆形，此时裂纹尖端己向前移动。此后进入卸载循环。在循环加载 时，由于滑移，在裂尖形成一个塑性区，塑性区外的材料只有弹性变形。 卸载后 弹性变形要恢复，而裂尖已发生塑性变形的材料却不能协调地收缩，故形成了 压缩应力作用在塑性区上。 在裂尖处这种压应力值可以很大，甚至能够超过屈服 极限而使裂尖材料发生反向塑性变形，滑移反向，裂纹上下表面间距离缩小。 但 是，加载时裂尖塑性钝化形成的新的裂纹面却不能消失，它将在压应力的作用 下屈曲失稳，而在裂尖形成双凹槽形。 最后在循环最大压应力作用下又形成了一 个裂纹尖，但长度已经增加了。 下一个循环开始，裂纹又张开钝化扩展锐化，重 复上述过程。这样断口裂纹面上就留下了一条痕迹，即为疲劳条纹。 2 2 从微观机制说明从微观机制说明影响疲劳影响疲劳裂纹裂纹的因素的因素及其防治方法及其防治方法 1 1 1从循环应力方面从循环应力方面 直接观测表明，在循环应力作用下，疲劳裂纹尖端附近产生明显的塑性滑移 带。 当经过一定的循环周次后， 循环塑性变形累积造成裂纹尖端局部损伤， 形 成微裂纹和微孔洞(图1)。 图1 当累积损伤达到某一值时， 将突发一个小裂纹， 它穿过裂尖附近最严重的 损伤区， 向前扩展一段距离，并停止于损伤区外缘的塑性区内 随后的应力循 环又在新的裂纹尖端产生损伤区， 并在经历一个与上面相同的过程后，使裂纹 穿过损伤区进一步扩展。因而，观察到的裂纹扩展过程是突跃进行的， 它是一 个断续的扩展过程。同时看到,裂纹微观上并不是一条直线，而是锯齿形的（图 2） 图2 形成锯齿形扩展路径的原因，与裂纹扩展过程中的转折和分叉现象有关。由于 2 HAz的显微组织是不均匀的， 同时存在晶界，相界和第二相粒子的影响，致使 裂纹尖端产生不均匀滑移变形 从而造成损伤区偏向某一方向或某一区域，发生 裂纹转折。 观察到的另一重要现象是，裂纹尖端会发生分叉，随后一个分支一个 分支的向前扩展。 分支产生后是材料的应力能分成两个部分导致材料失稳扩展速 度降低。 所以增加第二相粒子的强化作用或者是裂纹在拓展时尽量分叉会明显降 低材料裂纹的拓展速度。 2 2从加载频率方面从加载频率方面 图3所示是30Cr2WMoV钢在不同加载频率作用下的疲劳裂纹扩展速率结果。 由图 可见： 图3频率的影响 (1)在低速区，加载频率的变化对疲劳裂纹扩展速率基本没有影响。许多其它 实验研究结果也证明了这一点。 可以预料，只要频率不低到出现环境影响，不高 到使裂纹尖端有显著发热，这种频率无关性都将保持。 因此在低速区加载频率基 本不会推迟材料的疲劳裂纹萌生。 (2)一般来说，频率对疲劳裂纹扩展速率的影响比应力比R的影响要小得多。 在 室温、无腐蚀环境中，频率在O.1100Hz量级时，对da/dN的影响几乎可以不考 虑。 应力循环波形(正弦波、 三角波、 矩形波等)的影响更是次要的。 但是，在高温 或腐蚀环境下，频率及波形对dadN的影响显著增大，因而是不容忽视的。 所以 当裂纹扩展速率较高时，加载频率的降低使裂纹扩展速率增大。 3 图4Kli tr的关系 3 3在腐蚀介质方面在腐蚀介质方面 应力腐蚀开裂在腐蚀介质中，即使只有静载荷作用，且裂纹尖端的应力强度 因子远低于临界断裂韧性值，也可能在一定时间后发生裂纹的扩展。 将带裂纹的 试件加载到Kli(KliK1c,K1c为1型裂纹的断裂韧性值)置于腐蚀介质中。若材料对该 腐蚀介质敏感，则在一定时问后裂纹将发生扩展。 记录在Kli作用下腐蚀介质中裂 纹开始发生扩展的时间，可以得到图4所示的一般关系。由图可见： 图二图二 4 图5腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线分类 在腐蚀介质作用下，裂纹可以在应力强度因子Kli低于K1c的情况下发生扩展。 所以做到提高应力强度因子可以抑制材料裂纹拓展。 作用的初始应力强度因子Kli越低，到发生裂纹扩展的时间tr 就越长。 当Kli趋于某极限值时，到发生裂纹扩展的时间tr趋于无限长。 这一应力强度因 子的极限值为应力腐蚀开裂的应力强度因子门槛值Klscc。 所以若满足KliKlscc，则 将不发生应力腐蚀开裂。 4 4 从材料的缺陷方面从材料的缺陷方面 材料的缺陷往往引起疲劳裂纹。 一般情况下疲劳裂纹通常起源于应力集中部位， 它是构件几何形状不连续而引起的。 任何构件在形状设计，加工中都存在其种程 度不连续性，因而造成局部应力集中。 构件加工过程中形成的表面粗糙度，刻槽 等缺陷;在构件内部的缺陷，特别是材料中的夹杂物漪化物、 氧化物)等，都是应 力集中和疲劳裂纹的萌生地。 夹杂物分布形成一定方向的流线，随钢的强度的提 高，其影响也就越明显，还常在流线露头处引发疲劳裂纹。 所以提高材料的冶金 强度减少材料的冶金缺陷能从微观上提高材料的材料的机械性能及其表面性能， 也能提高材料的疲劳强度从而减少材料疲劳裂纹的产生。 5 6