图 " "疲劳裂纹扩展的滑移一钝化因此,第一阶段的微裂纹萌生与扩展是具有一定晶体学取向的扩展,同时,裂纹扩展速率极为缓慢,量级大致在 %& "’ (%& ") **+周。
(,)裂纹宏观扩展阶段。宏观裂纹扩展阶段是从可见裂纹开始的裂纹扩展阶段,它是从微裂纹扩展阶段逐渐过渡来的。这一阶段的特点是裂纹扩展速度加快,一般在 %& ") (%& ", **+周,裂纹扩展方向与应力轴垂直,疲劳条纹比较明显。
微观裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段统称为裂纹稳定扩展阶段。微观与宏观裂纹的分界线不是十分明确,一般在 &-&% (&-&.**范围,甚至可达 %**,这依据材料的不同而不同。通常认为从宏观裂纹扩展开始(即出现可见裂纹时开始)属于断裂力学研究范围。对于裂纹生成及微裂纹扩展这两个阶段,断裂力学不能处理,需要用工程疲劳的分析方法来解决。
()裂纹的非稳定扩展阶段(断裂阶段)。当裂纹扩展到较大的尺寸( /01)时,扩展速率急剧上升,在很短时间内,构件发生断裂。
以上所描述的裂纹扩展过程一般与延性较好的金属材料相吻合。对于高强度材料,由于屈服强度高、对缺口敏感性大、内部结构复杂等原因;往往直接在宏观的应力集中部位裂纹成核,随即开始宏观裂纹稳定扩展阶段,而不发生倾斜的微观裂纹扩展阶段。
,-疲劳断口及特征
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典型的疲劳破坏断口按照疲劳裂纹的发展过程可大致分为三个区域:
()疲劳裂纹源区。这是疲劳裂纹的起点,常发生在结构的表面,特别是应力集中严重的部位,如果构件材料内部存在缺陷(如夹杂物、空洞、化学成分偏析等)也可以在亚表面或内部发生。一般用肉眼或低倍放大镜就能大致确定疲劳裂纹源的位置。疲劳源在整个疲劳断口截面上所占比例很小,呈半圆形或半椭圆形,非常光滑、亮泽、细洁,贝壳状波纹线不明显,这是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢、裂纹面反复张开与闭合而使断面磨光的缘故。
(")疲劳裂纹扩展区。疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的区域,常呈贝壳状或海滩波纹状。这些波纹常称为疲劳条带,一般从疲劳源开始呈弧形线条向四周推进,垂直于裂纹扩展方向。拉应力使裂纹扩展,压应力使裂纹闭合,裂纹两侧表面反复张开闭合就形成了这些条纹,条纹与作用的反复载荷有较好的对应关系,是断口量化分析的重要依据。裂纹扩展区一般较光亮,且愈接近疲劳源区愈亮。在裂纹扩展后期,由于有效截面不断减少,构件的实际应力不断增加,裂纹扩展速率提高,于是疲劳裂纹加速扩展区的断口较粗糙且不规则,并可能伴有因材料撕裂而造成的台阶、小丘或弧形条带(较宽),扩展也往往是不连续的。但对于高强度钢或高应力疲劳的情况,一般观察不到贝壳状波纹线,读者可自行分析其原因。
()快速断裂区。快速断裂区也称瞬时断裂区,是疲劳裂纹长度扩展到临界尺寸后发生的快速破断。快速断裂区的大小与材料特性、应力集中严重程度和应力水平有关。一般来说,材料较脆,应力水平较高,应力集中严重时,快速断裂区面积较大。快速断裂区的形状特征与静力破坏基本相同,较粗糙且分为平断部分和斜断部分。平断部分属拉断型,斜断部分属剪断型。
疲劳断口特征可以帮助我们分析构件的破坏是否属于疲劳破坏。但它也与材料、载荷等因素相关,有时光滑区很小,这会给分析判断带来一定困难,这时可能须要借助于电子显微镜观察微观断口,这里就不再赘述了。
二、金属材料的疲劳特性
恒幅疲劳载荷
金属材料的疲劳破坏取决于内、外两方面因素。外在因素指作用于材料上的外加疲劳载荷;内在因素指材料的抗疲劳断裂能力。恒幅疲劳载荷是最基本的疲劳载荷形式,可利用标准试验机发生此反复载荷。而实际飞机经历的疲劳载荷却要复杂得多。这里,仅说明基本疲劳载荷的描述参数等,而复杂疲劳载荷历程放在以后介绍。
由于通常的疲劳破坏属静力学范围,故对反复的疲劳载荷循环历程仅关心其大小而不关心载荷的波形及频率。恒幅疲劳载荷的描述参数有 %个,分别为 &’(),&’*+, •"-,•
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