疲勞研究的發展及疲勞斷裂機理概述

孫寒驍

裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系

疲勞研究的發展及疲勞斷裂機理概述

孫寒驍

裝甲兵工程學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，疲勞領域的研究對提高零部件工作可靠性減少經濟損失具有重要的意義。本文歸納了疲勞研究的發展歷程并詳細闡述了疲勞斷裂的機理。

疲勞；殘余應力；組織結構；表面形貌

0 引言

美國材料試驗學會對疲勞的定義為：材料在某一點或某些點上受到變化的應力和應變，經過足夠次數的變化后最終產生裂紋或完全斷裂，在材料結構中局部漸進發生的這種永久變化過程稱之為疲勞。

疲勞斷裂是引起零部件失效的最常見﹑最重要的原因之一[1]。然而人類認識并研究疲勞問題只有不到兩百年的歷史。在實際發生的力學破壞當中疲勞破壞占到了約50%～90%的巨大比例。美國國家標準局于20世紀80年代開展的關于斷裂造成損失的調查顯示1982年斷裂在美國造成的損失為1190億美元，占當年國家GDP的4%。因此，疲勞問題成為當代科研人員所關注的亟待解決的重點問題，如何防止疲勞斷裂的發生，如何提升零部件的抗疲勞壽命成為現代科研工作者關注的重點難點領域[2]。

1 疲勞研究的發展與現狀

疲勞問題最初是由德國工程師Albert于1829年在對礦山卷揚機焊接鏈條反復進行疲勞加載試驗后提出了第一份有關疲勞問題的研究報告，緊接著1839年Poncelent在巴黎大學演講時首次提出了疲勞這一概念。Wohler是第一個對疲勞進行系統研究的學者，他從1847年起針對當時車軸臺肩多次發生斷裂的問題進行了深入的研究并取得了豐碩的成果，例如設計發明了第一臺疲勞試驗機，研究了疲勞壽命與應力的關系并提出了S-N曲線，這都為疲勞學的發展奠定了堅實的基礎。在此之后，Ewing和Humfery首次發現了疲勞滑移痕跡與微裂紋，Almen解釋了噴丸強化提高材料抗疲勞強度的機制，Zappfe與Worden進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在此方程基礎上提出了局部應力-應變疲勞分析法。在我國，疲勞研究起步較晚但發展較快，現如今很多科研部門﹑院校﹑工廠都對疲勞問題做出了大量研究，取得了大量成果，但總體上看仍有許多可以改進的地方。譬如目前我國的機械設計大部分仍然處在靜強度設計階段，僅在軸等少數關鍵設備進行抗疲勞設計，這主要是由于國內各材料疲勞及抗疲勞相關的性能缺乏，設計人員對疲勞問題認識不足所造成的。因此目前疲勞領域仍有大量工作亟待完成，對提高零部件壽命及可靠性具有重要的意義。

2 疲勞斷裂的機理

疲勞是在零部件承受擾動應力的作用下發生的，它起源于高應力應變的應力集中部位，在足夠次數的擾動載荷作用下，應力集中部位產生裂紋。在接下來的一段時間內因擾動載荷的作用，裂紋不斷擴展直到達到臨界尺寸時零部件的因強度不夠而瞬時斷裂。因此疲勞是一個發展的過程，主要經歷裂紋的萌生﹑發展﹑斷裂三個階段，疲勞壽命也就是裂紋萌生階段與裂紋發展階段這個兩階段壽命的和[3]。這也造成了典型的疲勞斷口由于疲勞斷裂發生的這三個階段而能觀察到裂紋源區﹑裂紋擴展區﹑瞬間斷裂區三個部分[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力集中處開裂，一般而言裂紋源只有一個，但也有可能有多個。在工程實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，并外部環境容易使表面產生劃痕﹑腐蝕坑等缺陷，裂紋在此萌生后逐漸向內擴展直至斷裂。滑移帶開裂是由于在循環載荷作用下，材料產生塑性變形形成滑移帶，滑移帶因為擾動的作用在表面不斷被擠入擠出，逐漸形成小尺度的切口，再逐漸擴展為宏觀尺度的裂紋。晶界﹑夾雜物﹑第二相與基體的界面開裂與滑移帶開裂類似，滑移面在循環載荷作用下滑移，在晶界或界面處受阻形成位錯塞積，造成應力集中，當應力峰值達到某一臨界值時便會造成開裂。

2.2 裂紋的擴展

裂紋的擴展可分為兩個階段，第一個階段裂紋在萌生后在交變載荷的作用下沿最大切應力方向擴展，具有一定的結晶學特性。此階段的裂紋數量較多，隨著裂紋的擴展一部分在幾個晶粒的尺度就停止了，還有一部分連接成一條主裂紋，進入第二階段。第二階段由于裂紋由材料表面約束少的地方進入內部，滑移受到巨大阻礙而由剪切擴展方式轉變為拉伸擴展，此時不再具有結晶學特性。裂紋在擴展的過程中會留下疲勞輝紋，疲勞輝紋方向與裂紋擴展方向垂直，它的間距能夠反映出裂紋擴展的速率。整個裂紋擴展區由于整個擴展過程中不斷的張開﹑閉合，相互摩擦使得斷口較為光滑平整，并常常會留下腐蝕的痕跡。

2.3 最后的斷裂

疲勞斷裂最后的斷裂是當裂紋擴展到一定的程度時，材料的強度下降到臨界值而發生的類似于靜載斷裂的瞬時斷裂，它的機理與靜載斷裂一致，但兩者加載速率不同，因而強度因子有所差別。瞬斷區一般會有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﹑擴展區和瞬斷區三個區域。疲勞源區多呈半圓形或半橢圓形，面積最小，萌生于表面或應力集中處，由于裂紋在此擴展速度慢，所以較為平坦。裂紋擴展區往往指第二階段的擴展區，因為第一階段的只有幾個晶粒的尺度往往難以分辨，它位于疲勞源區與瞬斷區之間，面積最大，表面常出現海灘狀花紋或細晶粒，在靠近疲勞源區的區域由于在擴展時被裂紋面不斷擠壓摩擦而會被磨光。瞬斷區多呈亮色粗晶粒，面積大小由載荷和材料本身決定。

[1]陳傳堯.疲勞與斷裂 [M].華中科技大學出版社，2003.

[2]李雪莉，李瑛，王福會，等.USSP表面納米化Fe-20Cr合金的腐蝕性能及機制研究 [J].中國腐蝕與防護學報，2002，22(6)： 326-330.

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

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