1、,疲劳短裂纹萌生与扩展,Content,1,疲劳短裂纹提出,早期科学家建立起线弹性断裂力学（LEFM），并且Paris提出了一个著名的经验公式，用来描述疲劳裂纹扩展速率：/=，他取得了成功，该公式得到了广泛的应用。然而对于长度很小的短裂纹，其扩展速率不遵循Paris公式，这种裂纹称为短裂纹。 据统计，机械零件破坏的50% 90%为疲劳破坏，而材料约90%的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。,2,萌生机理,短裂纹的形成有三种解释： 一是在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起
2、材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大；而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。 二是认为疲劳过程首先由滑移开始。金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。 三是认为疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于
3、形成沿晶裂纹。,3,短裂纹扩展,3.1 短裂纹扩展有以下共性： 短裂纹可以在比长裂纹低的名义驱动力下扩展； 在相同名义驱动力下，短裂纹的扩展速率会比长裂纹的相应速率高得多； 进入长裂纹阶段前，短裂纹扩展速率并不稳定，有时会呈现先减速后加速的特征； 粗晶材料具有较高短裂纹扩展速率，但 也较高，而细晶材料短裂纹扩展速率低，但 也较低； 大的晶粒取向差有利于短裂纹的萌生，小的晶粒取向差有利于短裂纹的扩展。,3,短裂纹扩展,3.2 曲折效应 晶粒尺度对短裂纹行为的影响往往体现在晶界对裂纹扩展的障碍作用。而相邻晶粒具有不同的晶体取向也使得裂纹在晶粒内的走向具有相应的晶体学特征。如图所示，由于晶粒Y与晶粒
4、X的滑移系统取向不同，因此裂纹由晶粒X传播到晶粒Y将发生曲折。若晶粒X的滑移系统的施密特因子较大，相应地将获得较大的临界分切应力；而Y晶粒里的滑移系统可能具有较小的分切应力。这样裂纹由X到Y将发生偏转，其传播速率将受到明显的影响，裂纹的这种行为往往被称为“曲折效应”。,短裂纹生长受到晶粒取向的影响,3,短裂纹扩展,3.3 闭合效应 疲劳裂纹扩展往往伴随发生裂纹的闭合效应。如图所示，闭合效应可以由局部塑性区,腐蚀产物,或裂纹的粗糙面等因素产生。一般地,闭合效应的作用随裂纹长度的延伸而增强。研究指出，短裂纹与材料细观组织相互作用而产生的曲折效应和闭合效应导致了短裂纹初始扩展的裂纹减速特征。,4,扩
5、展寿命预测,短裂纹扩展的初始阶段材料细观组织对裂纹生长有阻碍作用。Miller K J基于微观断裂力学并考虑微观组织的阻碍作用，提出MSC阶段短裂纹扩展特性关系式 = ( 1 )式中，da/dN为裂纹扩展速率，为剪应变范围；A和为材料常数； a为裂纹长度；d1代表微观结构障碍尺度； Hobson P D和Brown M W等将上式与PSC阶段短裂纹扩展门槛值相结合，应用弹塑性条件下主导裂纹扩展规律，建立裂纹从MSC阶段进入PSC 阶段乃至长裂纹的扩展速率方程 = a 式中，B和为材料常数， a 为PSC阶段裂纹长度或长裂纹长度，C为PSC阶段或长裂纹裂纹扩展速率门槛值。,5,参考文献,1郭万林，傅祥炯 .论疲劳短裂纹.航空学报，1990.2王璐，王正，宋希庚，王 魁，赵子豪.疲劳短裂纹理论及寿命 预测方法新进展. Journal of Mechanical Strength，2012.3洪友士，方尴.疲劳短裂纹萌生及发展的细观过程和理论.1993.,Thanks！,
