循环变形与疲劳.docx

循环变形与疲劳.docx

《循环变形与疲劳.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《循环变形与疲劳.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

循环变形与疲劳

第七章循环变形与疲劳

材料在变动荷载的作用下经过循环变形、微裂纹萌生和裂纹扩展至断裂的现象称为疲劳。

机械疲劳，接触疲劳，腐蚀疲劳和蠕变疲劳，热疲劳。

本章只讨论机械疲劳和蠕变疲劳，腐蚀疲劳在第八章中讨论。

机械疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两种

高周疲劳：

应力水平在弹性范围内，Nf105

S—N曲线，疲劳极限aR（N^-）

条件疲劳极限7R（Nf>107）,-R（Nf>108）

低周疲劳

应力水平在弹塑性范围内，Nf门05

当循环变形在弹塑性范围内发生时，疲劳的发展一般可分为下列几个阶段：

（1）在循环变形过程中位错亚结构发生变化，并伴随着循环硬化或软化，

（2）微裂纹的萌生，

（3）裂纹扩展至最终断裂。

7.1单晶体金属的循环变形

7.1.1循环变形的力学特性

由于应力应变超过弹性范围，应力一应变曲线必然形成封闭的曲线，称为滞后回线。

描述滞后回线的力学参数：

总应变幅人；t，塑性应变幅人\，总应力幅人二，拉伸屈服应力'yT，压缩屈服应力二yC以及弹性模量E。

C

a

Y

7

1

/

1

1

1

■

0

细—

循环硬化和软化

应力控制

应变控制

循环应力-应变曲线

—饱和回线顶点的连线

I区，饱和应力随应变幅的增加而增加，表现出加工硬化

II区，饱和应力对塑性应变幅值不敏感。

川区，饱和应力随塑性应变幅的增加而急剧增加。

7.2循环变形中位错亚结构的变化[2-5]

应变幅较小时（相当于I区）：

束状结构，

位错束（Bundles或Veins）淇中的位错密度约为1015m-2,“通

道”：

位错密度很低

随着循环变形继续进行，位错束的数量增加。

这些位错束对主

滑移系统上的位错运动起阻碍作用，导致快速的循环硬化。

当应变幅增加到II区：

“驻留滑移带”（persistentslipbandS简称

PSB），

带内呈“梯状”花样：

位错墙和通道

由于滑移集中在驻留滑移带内进行，驻留滑移带内同一滑移面上位错都是同方向运动的平行位错，滑移阻力较小，表现为在循环匚一；曲线II区几乎不发生硬化。

构或亚晶，这与二次滑移系统的开动有关。

循环变形与单向变形的主要区别有

（1）循环变形的位错密度明显高于单向变形。

（2）驻留滑移带的产生和它的位错墙结构是循环变形所特有的。

（3）单向拉伸在试样表面上产生“台阶”状的滑移痕迹，而循环变形的粗糙表面由“峰”和“谷”构成，它们是驻留滑移带在自由表面的出口，分别被称为“挤出”和“侵入”

（4）应力-应变曲线存在饱和区段，在此区段内分切应力峰值与塑性切应变幅无关，这也是循环变形中所特有的。

741循环变形与表面挤出和侵入

外应力与内应力的综合效应。

当试样受拉伸时在A和A•外应力和内应力同号，相互加强，产生局部应力集中。

当试样受压时B和B•点是应力集中点。

7.4.2裂纹萌生

PSB和基体间的界面:

PSB和基体间的界面一个不连续面，在此面的两侧位错密度和分布会有个突变。

这些界面也可能成为疲劳裂纹萌生的有利地点。

对试样表面进行电解抛光，去除侵入和挤出，可以延长疲劳寿命，

在冶金缺陷处萌生

疲劳裂纹容易在熔渣、气泡、夹杂、锻造皱皮、折叠等冶金及加工缺陷以及微观组织结构和化学成分的不均匀处萌生。

探疲劳裂纹在拉应力作用下在表面形核

提咼疲劳性能的途经

'提高表面光洁度

•冶金质量-减少夹杂物

-表面压应力-渗氮，表面淬火，喷丸，滚压

7.5疲劳裂纹扩展

7.5.1疲劳裂纹扩展的不同区段

采用应力强度因子幅“K=Kmax一Kmin,

da/dN对二K的曲线显示出

三个不同阶段，呈反S形的变化规

律［8］。

A区为近门槛疲劳区

B区为Paris区，裂纹扩展速率

符合Paris幕函数关系［23］，即

C区失稳突发性断裂，疲劳循环的最大应力强度因子Kmax接近材料的Kic时，裂纹扩展速率急剧增加，继而发生断裂。

7.5.2疲劳裂纹扩展的微观过程

疲劳裂纹扩展大体上可分为两个阶段,

第一阶段：

当裂纹尺寸小于几个晶粒直径时，变形局限于单滑移系统，疲劳裂纹沿主滑移面向前扩展。

近门槛疲劳区（A区）相对应断口呈现解理小平面。

第二阶段：

疲劳裂纹扩展的宏观路径大体上垂直于拉伸载荷轴，B区相

对应。

疲劳裂纹扩展第二阶段最显著的特征是断口中的疲劳条纹花样［27］。

钝化再锐化模型

7.6疲劳裂纹扩展的断裂力学问题

761AK及AJ

每个应力循环的裂纹扩展量da/dN是应力强度因子幅K的函

数，即

dam

（7・3）

dTC（K）

在大范围屈服时,

da/dN二（J）m1

762循环塑性区

由下式给出:

在循环加载条件下，在单调塑性区内会产生一个反向塑性流变

区。

纯拉伸循环条件下裂尖存在残余压应力区

纯压缩循环条件下存在残余拉应力区

7.7裂纹闭合

Elber[33,34]首先发现，在疲劳的拉伸周期裂纹也能够闭合。

裂纹扩展穿过裂尖塑性区后裂纹尖端后部残余伸长使裂纹张开位移减小，卸载时裂纹面之间提前接触。

裂纹提前闭合的结果使裂纹扩展的驱动力下降。

后来人们还发现了其他类型的裂纹闭合机制，如裂纹面氧化、腐蚀，裂纹面粗糙度，裂纹面间的粘滞流体以及相变等诱发的裂纹闭合。

这些裂纹闭合形式的示意图如图7.22所示。

本节讨论塑性诱发和氧化物诱发裂纹闭合机制。

7.8高温低周疲劳

（蠕变疲劳交互作用）

在高温下循环频率较低时，即使是在连续变动应力（无载荷保持时间）作用下也会发生蠕变，分析高温低周疲劳问题时必然要涉及到蠕变的作用，从广义上说高温低周疲劳就是蠕变疲劳问题。

本章将集中讨论保持时间对疲劳断裂及其寿命的影响。

蠕变－疲劳交互作用的本质是蠕变损伤和疲劳损伤的相互关系。

疲劳的主要损伤形式是裂纹在晶内扩展，而蠕变的主要损伤形式是空洞在晶界形核和长大，但在高应力下也可能发生晶内损伤。

当蠕变和疲劳损伤依次或同时发生时，一种损伤对另一种损伤的发展过程将产生一定的影响，从而加速或减缓总损伤，影响疲劳寿命，这就是蠕变-疲劳交互作用。

蠕变疲劳波形

带保持时间的蠕变疲劳寿命

无保持连续疲劳寿命

NCRV1:

保扌寸降低寿叩（对保扌寸敏感）

NCR>1:

保持增加寿命

NCR=1:

保持不影响寿命（对保持不敏感）

很难从这些数据中归纳出某种普遍规律，对每一种材料在各种循环条件下的蠕变疲劳行为都要具体分析。

尽管如此，从Goswami的数据库中仍可以总结出如下倾向。

1）所有材料对拉伸保持敏感，且一般来说保持时间越长，蠕变疲劳寿命越短。

2）压缩保持对蠕变疲劳的影响比较复杂，不同材料表现出不同的行

为。

很多Ni基高温合金对压缩保持敏感，即压缩保持降低蠕变疲劳寿命；而低合金耐热钢和奥氏体不锈钢受到压缩保持作用时蠕变疲劳寿命增加。

纯金属Ni等少数材料对压缩蠕变不敏感。

3）大多数合金对对称保持比较敏感，即对称保持降低蠕变疲劳寿命，但其程度不如拉伸保持单独作用那样显著。

7.9.3蠕变疲劳寿命预测方法

（一）累积损伤法

这种模型把机械疲劳和蠕变所造成的损伤采用下列线性叠加方法

求和

Ff代=1

NfitRj

此法已列入ASMECodeCaseN-47

（二）频率修正C-M法

应变幅一寿命法（C-M法）是一种利用应变幅描述疲劳寿命的方

法：

Nf厂Cp

在咼温下循环频率对咼温循环变形有很大的影响，考虑到这一一

点，修正C-M法在式（7.12）中加进频率项，使（7.12）关系式变为

（Nf广-1）-；=C

式中的常数Cf和指数k、：

是与温度、材料和环境有关的常数。

7.9.4蠕变疲劳裂纹扩展的断裂力学问题

与循环频率和温度有关。

循

在蠕变疲劳条件下，应该用何种断裂力学参数来描述裂纹扩展,

环频率很高和（或）温度较低时，疲劳裂纹扩展主要受循环过程控制，此时可用

K来描述。

在

C作为描述参量（参看第

低频和非常高的温度下，裂纹扩展完全是一种时间相关过程，可选择

五章，5.5节）。

在介于上述两种极端情况之间时，疲劳裂纹扩展是循环相关过程与时间相关过程

共同作用的结果，可以用裂纹扩展速率叠加法进行处理。

把裂纹扩展的机械疲劳分量和时间依赖分量进行线性叠加，以求得裂纹扩展的总速率：

（7.15）

式中的下标F和CR分别表示疲劳和蠕变的贡献。

在小范围屈服条件下裂纹扩展的疲劳分量可表示为

式中的K和丄Keff分别是应力强度因子幅的名义值和有效值，而C、Ci、m和m!

是Paris公式

中的经验常数。

在大范围屈服条件下可以用Jc（三J）来描述机械疲劳分量，其表达式为

（7.17）

二C2（Jc）m2

式中的C2和m2是经验常数。

可用类似的方法描述时间相关的分量，即

式中C3和m3是材料常数。

为了应用式（7.15），上式中的da/dt应转换成da/dN，为此可以利用

来进行处理。

这种方法可以说明试验频率和波型对高温裂纹扩展速率的影响。

尽管已经广泛应用线弹性断裂力学来描述室温下的疲劳裂纹扩展行为，但对于高温疲劳条件

下，描述大范围屈服的疲劳-蠕变裂纹扩展方面，采用哪一种断裂力学参数更有效的问题目前没

有一致的看法。