金屬疲勞裂紋擴(kuò)展至斷裂機(jī)理

疲勞裂紋擴(kuò)展可以分為三個(gè)階段：第I階段（裂紋萌生，shot cracks），第II階段（裂紋擴(kuò)展，long cracks），第III階段（瞬時(shí)斷裂，final fracture）

第I階段：一旦裂紋萌生以后，就會(huì)沿著最大剪切應(yīng)力平面(約45o)擴(kuò)展。這一階段被認(rèn)為是第I階段或者短裂紋萌生和擴(kuò)展階段。裂紋一直擴(kuò)展直到遇到障礙物，如晶界、夾雜物或珠光體區(qū)。它無(wú)法容納初始裂紋的擴(kuò)展方向。因此，晶粒細(xì)化是可以提升材料疲勞強(qiáng)度的利用了引入大量微觀障礙物的原理。晶界，在裂紋擴(kuò)展的第I階段需要克服晶粒的阻礙并越過(guò)晶界。表面機(jī)械處理，例如噴丸和表面滾壓也會(huì)引入一些微觀的障礙物，因?yàn)樗鼈兪咕Ы绫粔罕饬?/span>。

第II階段：由于裂紋擴(kuò)展，實(shí)際載荷的上升，應(yīng)力強(qiáng)度因子K不斷增加，在裂紋頂端附近的不同平面上開(kāi)始發(fā)生滑移，于是就進(jìn)入了第II階段。相比之下第I階段裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向成45度角，進(jìn)入第II階段，裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向垂直，成90度角，如圖1所示。第II階段一個(gè)非常重要的特征就是斷口表面出現(xiàn)波紋，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為疲勞輝紋(Striations)，它需要在掃描電鏡的幫助下才能看清楚。并不是所有工程材料在發(fā)生疲勞時(shí)，進(jìn)入第II階段都會(huì)產(chǎn)生疲勞輝紋。疲勞輝紋在純金屬和一些韌性較好的合金中出現(xiàn)，例如鑄態(tài)的鋁合金。在鋼鐵里面，常常在冷作硬化的鋼中發(fā)現(xiàn)這種特征。

第III階段：最終，當(dāng)裂紋頂端應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，那么裂紋失穩(wěn)，發(fā)生快速擴(kuò)展。在這一階段，裂紋的擴(kuò)展由失效的靜態(tài)模式控制，對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)、載荷比以及應(yīng)力狀態(tài)（平面應(yīng)力加載或平面應(yīng)變加載）非常敏感。

宏觀上看，疲勞斷口可以分為兩個(gè)主要區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域與疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)并且呈現(xiàn)出平滑的一面，因?yàn)閷?duì)偶斷裂面會(huì)發(fā)生相互摩擦。有時(shí)候，在斷口表面上能看到“海灘標(biāo)記"，它是載荷變化的結(jié)果，或因?yàn)榕R時(shí)停止加載，或因?yàn)檫^(guò)載在裂紋頂端引入了壓縮殘余應(yīng)力。

最終斷裂：斷口上其它的部分就對(duì)應(yīng)著最終斷裂區(qū)，呈現(xiàn)出纖維狀和不規(guī)則特征。在這個(gè)區(qū)域里，斷口既可以是延性的，也可以是脆性的。它取決于材料的力學(xué)性能，構(gòu)件的幾何尺寸或加載條件。

每一個(gè)區(qū)域的準(zhǔn)確比例取決于實(shí)際載荷水平。載荷越高，穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域比例越小。在另一方面，如果加載的載荷較小，那裂紋擴(kuò)展較長(zhǎng)距離以后才能超過(guò)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，達(dá)到材料的斷裂韌度值，導(dǎo)致瞬時(shí)斷裂區(qū)較小。

棘輪花樣：棘輪花樣是在疲勞斷口表面可以觀察到的另外一種宏觀特征。這些特征通常出現(xiàn)在多源開(kāi)裂的情形中，裂紋萌生于不同的位置時(shí)，當(dāng)它們相互匯合時(shí)，就會(huì)在斷口上出現(xiàn)臺(tái)階。因此，棘輪花樣的數(shù)量是裂紋起始點(diǎn)數(shù)量的一個(gè)很好的指標(biāo)。

擴(kuò)展速率：相似于起始階段，很多因素會(huì)影響長(zhǎng)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。其中，最應(yīng)該關(guān)注的就是載荷比和殘余應(yīng)力的影響。增加載荷比從趨勢(shì)上會(huì)增加長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率，通常增加載荷比對(duì)Paris體系的影響比臨近門(mén)檻值和近失效區(qū)的影響小。接近門(mén)檻值應(yīng)力強(qiáng)度因子，比例R可歸因于裂紋閉合效應(yīng)。

對(duì)于大多數(shù)材料，Paris體系被認(rèn)為“無(wú)閉合和不依賴(lài)于最大應(yīng)力強(qiáng)度因子"。并且裂紋擴(kuò)展速率通常與不同R比率條件下的測(cè)試相似。接近最終失效，當(dāng)Kmax接近KIC時(shí)，R比率的影響與高的單調(diào)斷裂分量有關(guān)。