1.41疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理裂紋的“生命周期”(最終導(dǎo)致循環(huán)加載構(gòu)件的疲勞破壞)包括五個(gè)后續(xù)階段：裂紋的萌生階段、微觀裂紋結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)階段、裂紋擴(kuò)展成為物理斷裂紋階段、長(zhǎng)裂紋生長(zhǎng)階段和最終斷裂階段。裂紋最初的萌芽主要是指：無(wú)限積累的裂紋形核階段。塑性變形，這可能發(fā)生在標(biāo)稱光滑表面，在循環(huán)加載下，由于不可逆的原因，會(huì)出現(xiàn)侵入/擠壓模式。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(持久滑動(dòng)帶)，裂紋在晶界也有核化。更常見(jiàn)的是作為應(yīng)力/應(yīng)變集中器的缺陷。值得注意的是，與隨后的裂紋擴(kuò)展階段相比，在存在缺陷的情況下，裂紋萌生階段通常較短。通常情況下，在起裂階段會(huì)產(chǎn)生大量的裂紋。它們的尺寸是按其發(fā)展過(guò)程中的微觀組織的特征尺寸排列的，其中最重要的是晶粒尺寸。這些微觀結(jié)構(gòu)短裂紋的擴(kuò)展特征是由于局部微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈影響。在微機(jī)械屏障上，增長(zhǎng)加速的階段隨減速或甚至裂紋停止的變化而變化。值得注意的是，不一定是裂紋深度，而是裂紋前緣長(zhǎng)度，這是確定微觀結(jié)構(gòu)短裂紋上限的一個(gè)重要參數(shù)。如果應(yīng)力范圍足夠大，一定數(shù)量的裂紋將克服微結(jié)構(gòu)障礙并繼續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)它們的尺寸達(dá)到特征機(jī)械尺寸的順序時(shí)，例如塑性區(qū)尺寸在裂紋尖端之前，它們將被指定為機(jī)械短裂紋。局部顯微組織的影響是下降的，更好的是，它是沿裂紋前沿平均出來(lái)的，并且裂紋擴(kuò)展變得更加連續(xù)。需要關(guān)注的是，線性彈性ΔK概念不能在此階段應(yīng)用，而應(yīng)由彈塑性參數(shù)代替，例如循環(huán)J積分ΔJ，比較彈性應(yīng)力K值相同的裂紋尖端的分布I但大小不同。顯而易見(jiàn)，我們可以得出，裂紋尖端附近的應(yīng)力分布直接影響著裂紋擴(kuò)展和門檻值。例如，如果我們比較裂紋尖端2.5或5μm處的應(yīng)力，很明顯，短裂紋值高于長(zhǎng)裂紋的應(yīng)力值。圖1.1疲勞裂紋擴(kuò)展示意圖疲勞裂紋擴(kuò)展三階段示意圖；（b）疲勞裂紋擴(kuò)展第I階段示意圖圖1.2疲勞裂紋擴(kuò)展的第n階段示意圖\o"LearnmoreaboutCrackInitiationFatiguefromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"疲勞裂紋萌生在空洞，如氣體或收縮孔或缺乏融合是常見(jiàn)的\o"LearnmoreaboutCastAlloyfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"鑄造合金、\o"LearnmoreaboutSinteredAlloyfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"燒結(jié)合金，也適用于添加劑制造的材料，例如，由\o"LearnmoreaboutSelectiveLaserMeltingfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"選擇性激光熔煉而且它也可以它可以區(qū)分不同類型的腔體，它們的起源和形狀不同：(A)氣孔，由于與液體相比，氣體在固體金屬中的溶解度降低，制造過(guò)程中的氣體被包裹在孔隙中。這些毛孔通常呈球形。(B)微收縮孔，凝固過(guò)程中體積收縮形成的微收縮孔表現(xiàn)出更為復(fù)雜的形貌。而它們相當(dāng)平坦的范圍可能要比氣體孔隙的大得多。(C)未熔區(qū)，通常是細(xì)長(zhǎng)的、非球形的孔，從亞微米到宏觀都可以是不同大小的。與微收縮相比，由于應(yīng)力集中程度較高，這些孔洞對(duì)疲勞裂紋萌生的危害比球狀氣體孔更大。裂紋萌生孔尺寸統(tǒng)計(jì)分布的一個(gè)例子\o"LearnmoreaboutAluminumAlloysfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"鋁合金，\o"LearnmoreaboutMechanicalFatigueTestfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"疲勞試驗(yàn)在兩個(gè)不同的頻率上。結(jié)果表明，孔洞的尺寸遠(yuǎn)大于\o"LearnmoreaboutNonmetallicInclusionfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"非金屬夾雜物在。這就是為什么當(dāng)存在氣孔時(shí)，常常支配裂紋的萌生(也包括裂紋的擴(kuò)展)。1.2疲勞壽命影響因素金屬是工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的材料，疲勞失效是金屬結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的失效形式之一。金屬材料的疲勞裂紋失效研究已經(jīng)過(guò)去了160個(gè)春秋，其中，一些問(wèn)題得到解決，但是還有很大部分的問(wèn)題沒(méi)有得到解決。在這些目前將影響金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素分為材料、結(jié)構(gòu)、載荷和環(huán)境4類。材料類型(如脆性鑄鐵、球墨鋼、鋁、鈦)和加工條件(如再熱、冷成形、熱鍛、冷擠壓、淬火、回火)、晶粒類型和尺寸、基本材料性能(布氏硬度、彈性模量E、0.2%偏置YS屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度Su、真斷裂強(qiáng)度sf、強(qiáng)度系數(shù)K、循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)nⅱ、應(yīng)變硬化指數(shù)n;循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)Kⅱ、循環(huán)屈服強(qiáng)度YSⅱ、真斷裂延性ef、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b、疲勞延性指數(shù)c、面積收縮率%RA、斷裂伸長(zhǎng)率%EL等這些都是決定疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵參量。表面精加工的影響，由于微裂紋的萌生通常與自由表面有關(guān)，材料的疲勞強(qiáng)度，特別是在很長(zhǎng)一段時(shí)間后，通過(guò)測(cè)試給定的一批相似試樣來(lái)確定。這取決于在制備過(guò)程中使用的特殊技術(shù)所產(chǎn)生的樣品表面的粗糙度和條件。這種表面光潔度的影響在早期得到了廣泛的研究，F(xiàn)rost等人給出了全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)幾何形狀結(jié)構(gòu)幾何形狀明顯決定了應(yīng)力水平，并將影響疲勞壽命。這種影響在應(yīng)力分析中已得到充分的考慮。疲勞主要是局部失效類型，因此缺陷的幾何形狀(尺寸和分布)對(duì)疲勞壽命有重要影響。缺陷的幾何形狀將極大地影響制造方法和質(zhì)量控制程序。目前已經(jīng)考慮了宏觀缺口效應(yīng)，但尚未充分考慮微觀缺陷，這是疲勞試驗(yàn)結(jié)果分散較廣的主要原因。焊縫是導(dǎo)致疲勞的最重要的制造缺陷之一。因此，大多數(shù)現(xiàn)有的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)則主要是針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞。產(chǎn)生疲勞設(shè)計(jì)規(guī)則的一個(gè)重要組織是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)。IIW關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞和焊接缺陷評(píng)估的新建議最近得到了更新。例如，部件測(cè)試、名義應(yīng)力、幾何(熱點(diǎn))應(yīng)力和缺口應(yīng)力方法，以及斷裂力學(xué)方法。外加載荷的作用影響，平均應(yīng)力效應(yīng)疲勞實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力壽命短。許多影響平均應(yīng)力的方法被發(fā)現(xiàn)，這些公式包括古德曼、戈貝爾和索德伯格提出的公式，以及史密斯-沃森-托普關(guān)系。最好的可能是Smith-Watson-Topper關(guān)系，它通常與許多工程材料的測(cè)試數(shù)據(jù)很一致。Kujawski和Ellyin提出了一種統(tǒng)一的方法，將上述方法作為特殊情況包括在內(nèi)。變幅加載下的疲勞裂紋擴(kuò)展通常伴隨著載荷相互作用現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了給定加載周期內(nèi)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與等幅試驗(yàn)中相同周期內(nèi)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率不同。載荷相互作用效應(yīng)的特征和幅度以一種復(fù)雜的方式取決于加載變量、試件幾何形狀、材料性能、微觀結(jié)構(gòu)和環(huán)境。Skorupa發(fā)表了一篇關(guān)于變幅加載下疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中載荷交互作用的綜合綜述，并總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)趨勢(shì)。同一類型的變幅載荷序列，根據(jù)與上述因素相關(guān)的特定參數(shù)組合，在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中既可以產(chǎn)生減速，也可以產(chǎn)生加速。多軸疲勞通常用一些等效應(yīng)力或其他量來(lái)處理。ISSC78列出了其中大部分:馮·米塞斯的等效應(yīng)力;最大主應(yīng)力;基于裂紋張開(kāi)位移的等效應(yīng)力;最大剪切應(yīng)變和作用在剪切面上的法向應(yīng)變;循環(huán)應(yīng)變能量密度；最大剪應(yīng)力或應(yīng)變;實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)主應(yīng)力幅相同時(shí)，非比例加載比比例加載的疲勞壽命短一個(gè)數(shù)量級(jí)。頻率影響，許多實(shí)驗(yàn)表明頻率范圍1-200Hz,疲勞極限或強(qiáng)度后很長(zhǎng)一段時(shí)間不加熱的材料或其表面沒(méi)有化學(xué)攻擊測(cè)試期間保持不變?cè)趯?shí)際應(yīng)用中,雖然有,但事實(shí)上,隨著測(cè)試速度的增加，略有增加。在較高的測(cè)試速度下，疲勞極限隨著測(cè)試速度的增加而持續(xù)增加，直到約2khz的頻率，但超過(guò)這個(gè)頻率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一致。有證據(jù)支持和反對(duì)峰值頻率，超過(guò)該頻率疲勞強(qiáng)度隨頻率增加而降低。