损伤和断裂力学课件

资料仅供参考,不当之处，请联系改正。裂纹扩展类型 裂纹扩展可分为裂纹扩展可分为失稳扩展和亚临界裂纹扩展失稳扩展和亚临界裂纹扩展两种。两种。失稳扩展意味着最后的破坏，亚临界裂纹扩展则不然，失稳扩展意味着最后的破坏，亚临界裂纹扩展则不然，若把导致裂纹扩展的原因去除，则亚临界裂纹扩展可若把导致裂纹扩展的原因去除，则亚临界裂纹扩展可以很快地停止。亚临界裂纹扩展可依载荷种类和环境以很快地停止。亚临界裂纹扩展可依载荷种类和环境介质而分为介质而分为蠕变裂纹扩展、机械疲劳裂纹扩展、应力蠕变裂纹扩展、机械疲劳裂纹扩展、应力腐蚀裂纹扩展和腐蚀疲劳裂纹扩展腐蚀裂纹扩展和腐蚀疲劳裂纹扩展四种四种.裂纹扩展类型 裂纹扩展可分为失稳扩展和亚临界裂纹扩1资料仅供参考,不当之处，请联系改正。亚临界裂纹扩展种类 载荷载荷环境环境静载静载动载动载惰性惰性蠕变蠕变机械疲劳机械疲劳活性活性应力腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳腐蚀疲劳亚临界裂纹扩展种类 载荷静载动载2资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-1 动能与裂纹扩展阻力 失稳断裂发生后，裂纹是不是一定扩展直到整个失稳断裂发生后，裂纹是不是一定扩展直到整个结构的破坏结构的破坏?还是有可能停止扩展还是有可能停止扩展?这不仅依赖于准则，这不仅依赖于准则，也与裂纹扩展速度相关。也与裂纹扩展速度相关。裂纹扩展，裂端附近的材料做了快速的运动。但裂纹扩展，裂端附近的材料做了快速的运动。但是裂纹扩展多多少少在裂端区带来了卸载，因此，动是裂纹扩展多多少少在裂端区带来了卸载，因此，动态的态的G G或或K K要比静态预测的临界要比静态预测的临界G G或或K K来得小一些。来得小一些。6-1 动能与裂纹扩展阻力 失稳断裂发生后，裂纹是3资料仅供参考,不当之处，请联系改正。阻力曲线 裂裂纹纹扩扩展展，裂裂端端塑塑性性区区变变大大，阻阻力力R增增加加。虚虚线线AB是是根根据据Griffith理理论论预预测测的的G，即即静静态态的的G。实实际际上上，因因为为运运动动，G沿沿曲曲线线AC变变化化，同同时时R也也不不再再是是平平面面应应变变时时的的水水平平线线，可可能能是是如如图图所所指指的的曲曲线线。当当GR时时，裂裂纹纹可可能能停停止止扩扩展展；若若是是G始始终终大大于于R，则完全破坏必定发生。，则完全破坏必定发生。裂纹扩展速度，主要取决于裂纹的动能阻力曲线 裂纹扩展，裂端塑性区变大，阻力R增加。虚线4资料仅供参考,不当之处，请联系改正。裂纹扩展动能 讨论单位厚度的平板。当裂纹失稳扩展时，如果无讨论单位厚度的平板。当裂纹失稳扩展时，如果无其它能量消耗，在裂纹长度变量为其它能量消耗，在裂纹长度变量为a a时，一个裂端的动时，一个裂端的动能能KEKE如下如下:考虑平面应变的无限大平板有中心裂纹问题，失考虑平面应变的无限大平板有中心裂纹问题，失稳断裂的载荷是无限远处的稳断裂的载荷是无限远处的 ，断裂刚发生时的裂，断裂刚发生时的裂纹半长为纹半长为a a0 0，则在失稳断裂的临界点，有，则在失稳断裂的临界点，有:这里这里E E应为应为E E1 1，为方便起见写为，为方便起见写为E E。裂纹扩展动能 讨论单位厚度的平板。当裂纹失稳扩展时5资料仅供参考,不当之处，请联系改正。裂纹扩展动能设裂纹扩展后，设裂纹扩展后，c仍不改变（恒载荷问题），则仍不改变（恒载荷问题），则中心裂纹的总动能由积分而得：中心裂纹的总动能由积分而得：式中积分符号前的式中积分符号前的2代表裂纹扩展在两端同时发生。因代表裂纹扩展在两端同时发生。因a aa a0 0，所以，所以恒载荷下恒载荷下Griffith裂纹一旦扩展，就不可能停止。裂纹一旦扩展，就不可能停止。裂纹扩展动能设裂纹扩展后，c仍不改变（恒载荷问题），则6资料仅供参考,不当之处，请联系改正。裂纹止裂的方法图6-2 平面黏结高模量平板（提高R）图6-3 铆接同样材料的加筋板（降低G)使用上述两种阻止裂纹扩展的方法必须考虑具体情况。因使用上述两种阻止裂纹扩展的方法必须考虑具体情况。因为焊接处和铆钉处容易产生裂纹源，如果是变动载荷或载为焊接处和铆钉处容易产生裂纹源，如果是变动载荷或载荷方向有利于裂纹源扩展或萌生裂纹，则有可能阻止一个荷方向有利于裂纹源扩展或萌生裂纹，则有可能阻止一个裂纹扩展，反而产生其它裂纹，可能得不偿失。裂纹扩展，反而产生其它裂纹，可能得不偿失。裂纹止裂的方法图6-2 平面黏结高模量平板图6-3 铆接同样7资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-2 失稳断裂的裂纹扩展率失稳断裂发生后，裂纹扩展速率究竟有多大呢失稳断裂发生后，裂纹扩展速率究竟有多大呢?Mott于于1948年用无量年用无量纲分析法作了初步估计，假设位移分量可写成：纲分析法作了初步估计，假设位移分量可写成：这里这里c c1 1和和c c2 2是无量纲的比率数，对时间求导数，可是无量纲的比率数，对时间求导数，可 得：得：由动能定义：由动能定义：此处的此处的是质量密度。是质量密度。6-2 失稳断裂的裂纹扩展率失稳断裂发生后，裂纹扩展速率究竟8资料仅供参考,不当之处，请联系改正。于是：于是：因为平板很大，此时唯一的长度参数是裂长参数因为平板很大，此时唯一的长度参数是裂长参数a，由量纲分析，由量纲分析知上式中的积分项必须与知上式中的积分项必须与a2成正比。引入比例常数成正比。引入比例常数，则：，则：考虑到：考虑到：得：得：这就是裂纹失稳扩展的速度公式于是：这就是裂纹失稳扩展的速度公式9资料仅供参考,不当之处，请联系改正。失稳断裂的裂纹扩展率 这里这里 刚好是声速，即材料纵向波的速度。若刚好是声速，即材料纵向波的速度。若 ，则：则：的终端速度。的终端速度。对脆性断裂，由实验测得对脆性断裂，由实验测得 和和 的关系如图所示，的关系如图所示，大约等于大约等于0.38。所以上式可改写成：。所以上式可改写成：简化关系：简化关系：失稳断裂的裂纹扩展率 这里 刚好是10资料仅供参考,不当之处，请联系改正。几种材料的裂纹扩展率材料材料玻璃玻璃520015000.29钢（脆性断钢（脆性断裂）裂）5000100014000.20.28人造纤维人造纤维11004000.37几种材料的裂纹扩展率材料玻璃520015000.29钢（脆性11资料仅供参考,不当之处，请联系改正。如如果果材材料料韧韧度度高高些些，则则 值值将将小小些些。以以一一般般常常用用钢钢管管为为例例，其其强强度度较较低低，但但韧韧性性高高，值值大大约约0.04，相相当当于于 有有200米米以以上上的的扩扩展展率率。失失稳稳断断裂裂时时间间要要是是有有0.1秒秒，那那么么钢钢管管裂裂纹纹至至少少可可扩扩展展到到20米米，破破坏坏是是非非常常严严重重的的。若若是是钢钢发发生生脆脆性性断断裂裂，例例如如极极寒寒带带的的天天然然气气管管道道，一一旦旦破破裂裂，一一秒秒即即可可形形成成长长达达数数百百米米至至一一千千米米的的裂裂纹纹。因因此此，在在设设计计时时要要采采取取加加固固和和止止裂裂的的措措施施；在选材时，也要选用具有较好止裂性能的钢材。在选材时，也要选用具有较好止裂性能的钢材。如果材料韧度高些，则 12资料仅供参考,不当之处，请联系改正。习 题 1.试求双悬臂梁试件的动能。试求双悬臂梁试件的动能。2.2.若将半无限大平板的自由边界垂直劈开，则形成了若将半无限大平板的自由边界垂直劈开，则形成了单边裂纹。试求劈开后的裂纹扩展率和加速率。单边裂纹。试求劈开后的裂纹扩展率和加速率。习 题 1.试求双悬臂梁试件的动能。13资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-3 疲劳破坏 工程构件在投入使用时有比较光滑的表面，也没工程构件在投入使用时有比较光滑的表面，也没工程构件在投入使用时有比较光滑的表面，也没工程构件在投入使用时有比较光滑的表面，也没有较大的缺陷，但经过使用一段时间后就有可能发生有较大的缺陷，但经过使用一段时间后就有可能发生有较大的缺陷，但经过使用一段时间后就有可能发生有较大的缺陷，但经过使用一段时间后就有可能发生断裂。这期间断裂。这期间断裂。这期间断裂。这期间构件经历了裂纹萌生期和亚临界裂纹扩构件经历了裂纹萌生期和亚临界裂纹扩展两大阶段。构件寿命就是指这两段时间的总和展两大阶段。构件寿命就是指这两段时间的总和。机械疲劳也称纯疲劳，简称疲劳机械疲劳也称纯疲劳，简称疲劳机械疲劳也称纯疲劳，简称疲劳机械疲劳也称纯疲劳，简称疲劳(fatigue)(fatigue)，是，是，是，是机械零件失效最常见的形式。有人估计疲劳破坏占机机械零件失效最常见的形式。有人估计疲劳破坏占机机械零件失效最常见的形式。有人估计疲劳破坏占机机械零件失效最常见的形式。有人估计疲劳破坏占机械零件失效的比例至少在械零件失效的比例至少在械零件失效的比例至少在械零件失效的比例至少在70%70%以上，甚至高达以上，甚至高达以上，甚至高达以上，甚至高达90%90%。因此，因此，因此，因此，疲劳设计是机械设计中非常重要的一个方面。疲劳设计是机械设计中非常重要的一个方面。6-3 疲劳破坏 工程构件在投入使用时有比较光滑14资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲 劳 什么是疲劳什么是疲劳?简单说就是指当结构在循环或交变应力下，简单说就是指当结构在循环或交变应力下，裂纹可以萌生并增长至临界尺寸而发生失稳断裂。裂纹可以萌生并增长至临界尺寸而发生失稳断裂。这种因这种因循环应力或交变应力而使材料抵抗裂纹扩展和断裂能力减循环应力或交变应力而使材料抵抗裂纹扩展和断裂能力减弱的现象，就称为疲劳。弱的现象，就称为疲劳。这里要注意的是循环应力和交变应力的意义稍有不同，这里要注意的是循环应力和交变应力的意义稍有不同，两者都指应力是周期性变化的，但是最小应力与最大应力两者都指应力是周期性变化的，但是最小应力与最大应力的比值的比值(简写为简写为R R)是不相同的。是不相同的。循环应力时循环应力时R R0 0，即应力不，即应力不改变方向；交变应力时改变方向；交变应力时R R0 0，即应力在同一周期内改变方，即应力在同一周期内改变方向一次。向一次。许多工程结构或零件，例如压力容器、汽轮机的许多工程结构或零件，例如压力容器、汽轮机的叶片、叶轮和转轴、汽车和拖拉机的曲轴、飞机的脚架、叶片、叶轮和转轴、汽车和拖拉机的曲轴、飞机的脚架、机翼大梁、发动机涡轮盘和叶片、吊桥的钢索等等都受到机翼大梁、发动机涡轮盘和叶片、吊桥的钢索等等都受到的是疲劳载荷。的是疲劳载荷。疲 劳 什么是疲劳?简单说就是指当结构在循环15资料仅供参考,不当之处，请联系改正。S-N曲线 传传统统的的疲疲劳劳试试验验是是做做标标准准光光滑滑试试件件的的S-N曲曲线线。通通常常在在一一定定频频率率、恒恒振振幅幅和和一一定定的的最最小小与与最最大大载载荷荷比比之之下下进进行行试试验验，以以求求断断裂裂时时的的疲疲劳劳总总周周数数。这这里里S代代表表循循环环应应力力(R0)或或交交变变应应力力（R0)的的幅幅值值，N代代表表断断裂裂时时的的周周数数。典典型型的的S-N曲曲线线如如图图。从从图图中中可可见见循循环环周周数数随随S降降低低而而增增加加。当当S下下降降至至某某一一值值时时，周周期期N似似乎乎有有无限寿命，此应力水平就称为疲劳极限。无限寿命，此应力水平就称为疲劳极限。S-N曲线 传统的疲劳试验是做标准光16资料仅供参考,不当之处，请联系改正。S-N曲线的局限性 采用采用S-NS-N曲线的试验，比较适合高韧度材料或低应曲线的试验，比较适合高韧度材料或低应力下疲劳破坏的高周疲劳力下疲劳破坏的高周疲劳(high cycle fatigue)，即适合，即适合疲劳寿命大于疲劳寿命大于105周以上的疲劳破坏。对低周疲劳周以上的疲劳破坏。对低周疲劳(寿寿命低于命低于105周周)(low cycle fatigue)，应力不足以代表力，应力不足以代表力学的控制参数，此时裂纹已经萌生，对构件的破坏起学的控制参数，此时裂纹已经萌生，对构件的破坏起到决定性作用。到决定性作用。S-N曲线的局限性 采用S-N曲线的试验，比较适合17资料仅供参考,不当之处，请联系改正。S-N曲线的局限性 S-N曲曲线线的的疲疲劳劳实实验验只只能能定定性性地地用用来来衡衡量量材材料料的的疲疲劳劳性性能能。它它的的缺缺点点包包括括(1)(1)混混淆淆了了裂裂纹纹萌萌生生阶阶段段和和扩扩展展阶阶段段，以以至至不不清清楚楚这这两两个个阶阶段段在在总总寿寿命命中中各各占占的的百百分分比比。(2)(2)无无法法估估计计试试件件厚厚薄薄及及大大小小对对寿寿命命和和疲疲劳劳强强度度(或或疲疲劳劳极极限限)的的影影响响，而而这这种种影影响响在在真真实实构构件件的的设设计计中中是是必必须须考考虑虑的的。(3)(3)以以疲疲劳劳极极限限来来设设计计，虽虽然然工工作作的的交交变变应应力力小小于于极极限限应应力力，但但并并不不保保证证寿寿命命可可以以达达到到无无限限。因因此此，在在断断裂裂力力学学发发展展起起来来后后，利利用用断断裂裂力力学学的的观点来进行疲劳裂纹扩展试验也就发展起来。观点来进行疲劳裂纹扩展试验也就发展起来。S-N曲线的局限性 S-N曲线的疲劳实18资料仅供参考,不当之处，请联系改正。虽然传统关系的疲劳试验有上述缺点，但在传统的设虽然传统关系的疲劳试验有上述缺点，但在传统的设计中它仍占有相当重要的地位。理论上，在疲劳极限计中它仍占有相当重要的地位。理论上，在疲劳极限以下工作的构件，应有无限寿命，这种无限寿命的设以下工作的构件，应有无限寿命，这种无限寿命的设计观点已广泛应用于不能计观点已广泛应用于不能(或不便于或不便于)停机的设备中。停机的设备中。虽然传统关系的疲劳试验有上述缺点，但在传统的设计中它19资料仅供参考,不当之处，请联系改正。例如汽轮机的叶片和飞机发动机的叶片等等过去都用例如汽轮机的叶片和飞机发动机的叶片等等过去都用这种原理进行设计的。但是加工、焊接或锻造引起的这种原理进行设计的。但是加工、焊接或锻造引起的表面或内部缺陷，加上材料本身固有的夹杂，大的二表面或内部缺陷，加上材料本身固有的夹杂，大的二相粒子等缺陷，这些缺陷就成为构件的疲劳裂纹源，相粒子等缺陷，这些缺陷就成为构件的疲劳裂纹源，是疲劳裂纹最容易萌生的地方。因此，无限寿命的设是疲劳裂纹最容易萌生的地方。因此，无限寿命的设计其构件寿命仍然有限。计其构件寿命仍然有限。例如汽轮机的叶片和飞机发动机的叶片等等过去都用这种原20资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-4 疲劳裂纹的萌生与扩展机理 一般情况下，构件的最大工作应力可能远低于屈一般情况下，构件的最大工作应力可能远低于屈服度，相对应的应力强度因子也可能小于材料断裂韧服度，相对应的应力强度因子也可能小于材料断裂韧性，为什么看起来表面光滑的结构会萌生疲劳裂纹性，为什么看起来表面光滑的结构会萌生疲劳裂纹?为为什么疲劳裂纹会扩展什么疲劳裂纹会扩展?下面的裂纹萌生和扩展机理解释下面的裂纹萌生和扩展机理解释是比较有说服力的模型。是比较有说服力的模型。在冶炼过程中或在加工过程中，材料表面和内部在冶炼过程中或在加工过程中，材料表面和内部多多少少有些缺陷。虽然工作应力并不高，但在部分多多少少有些缺陷。虽然工作应力并不高，但在部分缺陷造成应力集中处有可能产生比屈服强度高的应力，缺陷造成应力集中处有可能产生比屈服强度高的应力，因此在疲劳载荷下，位错运动带来的滑移就发生了。因此在疲劳载荷下，位错运动带来的滑移就发生了。6-4 疲劳裂纹的萌生与扩展机理 一般情况下，构件21资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲劳裂纹的萌生 如图，当载荷上升期，在有利的滑移面向一个方向滑移，滑如图，当载荷上升期，在有利的滑移面向一个方向滑移，滑移结果在表面形成了台阶的形状。当载荷下降期，因为应变硬化移结果在表面形成了台阶的形状。当载荷下降期，因为应变硬化或氧化膜保护的结果，原来滑移面不再产生滑移，改在平行该面或氧化膜保护的结果，原来滑移面不再产生滑移，改在平行该面的另一个方向滑移，如此就形成了凸出纹线和凹入纹。疲劳载荷的另一个方向滑移，如此就形成了凸出纹线和凹入纹。疲劳载荷作用下，多次的凹入就萌生成疲劳裂纹。这种凸出纹和凹入纹的作用下，多次的凹入就萌生成疲劳裂纹。这种凸出纹和凹入纹的特征已在铝合金的电镜图象里找到。特征已在铝合金的电镜图象里找到。疲劳裂纹的萌生 如图，当载荷上升期，在有利的滑移面22资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲劳裂纹的扩展 利利用用滑滑移移的的模模型型，疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展的的机机理理也也不不难难解解释释。在在载载荷荷上上升升期期，因因为为裂裂端端的的高高应应力力带带来来了了塑塑性性变变形形，在在最最大大剪切应力方向，由于滑移而使裂纹延伸一小段，图剪切应力方向，由于滑移而使裂纹延伸一小段，图a,b。疲劳裂纹的扩展 利用滑移的模型，疲劳裂纹扩展的机理23资料仅供参考,不当之处，请联系改正。滑滑移移也也可可能能发发生生在在另另一一个个最最大大剪剪切切应应力力方方向向，因因此此裂裂端端形形状状，如如图图c。滑移也可能发生在另一个最大剪切应力方24资料仅供参考,不当之处，请联系改正。载载荷荷继继续续上上升升，由由于于应应变变硬硬化化或或氧氧化化膜膜钝钝化化，原原来来方方向向不不再再滑滑移移，改改在在其其它它方方向向滑滑移移，最最后后使使裂裂端端形形状完全钝化，如图状完全钝化，如图d。载荷继续上升，由于应变硬化或氧化膜钝25资料仅供参考,不当之处，请联系改正。周期性扩展 在整个在整个a至至d的过程中，即载荷上升期，裂纹就扩的过程中，即载荷上升期，裂纹就扩展了一小段。当载荷下降时，裂端再度尖锐，如图展了一小段。当载荷下降时，裂端再度尖锐，如图e，应力集中又增加。如此循环不已而使裂纹扩展。应力集中又增加。如此循环不已而使裂纹扩展。周期性扩展 在整个a至d的过程中，即26资料仅供参考,不当之处，请联系改正。根据滑移的模型，每一个疲劳周期裂纹就扩展一根据滑移的模型，每一个疲劳周期裂纹就扩展一小段，这种特征人们很自然地想在显微特征里找出来。小段，这种特征人们很自然地想在显微特征里找出来。电镜图象显示铝合金的疲劳辉纹（电镜图象显示铝合金的疲劳辉纹（striations）非常清）非常清晰，而高强度的钢则不很清楚。疲劳辉纹的间距反应晰，而高强度的钢则不很清楚。疲劳辉纹的间距反应那一周的裂纹扩展率。那一周的裂纹扩展率。最近的研究指出，有些铝合金最近的研究指出，有些铝合金在真空中几乎看不出有疲劳辉纹，这个结果暗示着可在真空中几乎看不出有疲劳辉纹，这个结果暗示着可能还有别的扩展机理。能还有别的扩展机理。根据滑移的模型，每一个疲劳周期裂纹就扩展一小段，27资料仅供参考,不当之处，请联系改正。提高疲劳寿命的手段 如如果果能能够够控控制制滑滑移移，必必然然能能影影响响疲疲劳劳裂裂纹纹的的萌萌生生和和扩扩展展，也也必必然然能能影影响响疲疲劳劳强强度度。当当滑滑移移而而把把位位错错送送到到晶晶界界时时，必必须须达达到到一一定定的的程程度度才才能能引引起起相相邻邻的的晶晶粒粒产产生生滑滑移移。因因此此，细细化化晶晶粒粒增增加加了了晶晶界界的的阻阻隔隔，可可以以减减缓缓疲疲劳劳裂裂纹纹的的萌萌生生与与扩扩展展。对对同同一一种种成成分分的的金金属属材材料料来来说说，利利用用恰恰当当的的热热处处理理对对细细化化晶晶粒粒是是非非常常重重要要的的。晶晶粒粗大不但抗疲劳能力差，拉伸强度和韧度也较差。粒粗大不但抗疲劳能力差，拉伸强度和韧度也较差。裂裂纹纹萌萌生生绝绝大大多多数数从从构构件件的的表表面面或或内内部部的的缺缺陷陷开开始始，因因此此必必须须控控制制缺缺陷陷的的分分布布和和细细化化缺缺陷陷的的尺尺寸寸，同同时时加加强强探探伤伤检检查查。表表面面强强化化和和制制造造压压应应力力区区的的方方法法，例例如如滚滚压压强强化化和和喷喷丸丸等等，也也有有相相当当好的效果。好的效果。提高疲劳寿命的手段 如果能够控制滑移28资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-5 疲劳裂纹扩展率 从工程角度来说，一个构件的寿命包括裂纹萌生期和从工程角度来说，一个构件的寿命包括裂纹萌生期和裂纹扩展期，在传统的裂纹扩展期，在传统的S-NS-N曲线中，裂纹萌生曲线难判别出曲线中，裂纹萌生曲线难判别出来。来。用在航空、宇航和国防等方面的高强度合金都是比较贵用在航空、宇航和国防等方面的高强度合金都是比较贵贵重的材料，如能在保证安全的条件下，延长零构件的使贵重的材料，如能在保证安全的条件下，延长零构件的使用时间，则具有很大的意义。因此，探讨疲劳裂纹的扩展用时间，则具有很大的意义。因此，探讨疲劳裂纹的扩展规律，是对零件的安全和寿命估计所不可少的研究。规律，是对零件的安全和寿命估计所不可少的研究。因为平面应变的因为平面应变的I型裂纹是最常见最危险的裂纹，下面型裂纹是最常见最危险的裂纹，下面的讨论就以它为主。的讨论就以它为主。6-5 疲劳裂纹扩展率 从工程角度来说，一个构件的29资料仅供参考,不当之处，请联系改正。描述疲劳载荷需两个参数，一般用描述疲劳载荷需两个参数，一般用K和和R或或Kmax和和R此处：此处：Y为几何形状因子。为几何形状因子。描述疲劳载荷需两个参数，一般用K和R或Kmax和R30资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲劳裂纹扩展三个阶段 第第一一阶阶段段扩扩展展率率由由门门槛槛值值开开始始上上升升，在在门门槛槛值值(K)th以以下下裂裂纹纹扩扩展展缓缓慢慢(约约小小于于107毫毫米米/周周)；第第三三阶阶段段Kmax已已接接近近于于KIC，故故扩扩展展率率快快速速上上升升；在在双双对对数数轴轴图图下下，第第二二阶阶段段似似乎乎象象一一直直线线段段，因因此此Paris建议写成建议写成:这里这里C C和和n n是材料常数，是材料常数，对大多数金属材料对大多数金属材料n n值值在在2到到7之间。之间。疲劳裂纹扩展三个阶段 第一阶段扩展率由门槛值开始上升31资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲劳裂纹扩展率 在相同的在相同的KK下，载荷比下，载荷比R R不同或最大载荷不同或最大载荷K Kmaxmax不同，不同，da/dNda/dN的值也的值也不一定相同。为了描述疲劳裂纹扩展受到两个变量的影响，不一定相同。为了描述疲劳裂纹扩展受到两个变量的影响，da/dNda/dN的通用表达式为的通用表达式为:对于第二扩展阶段，对于第二扩展阶段，Erdogan建议使用：建议使用：同时考虑第二阶段和第三阶段时，同时考虑第二阶段和第三阶段时，Forman建议使用：建议使用：疲劳裂纹扩展率 在相同的K下，载荷比R不同或最大载荷K32资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲劳裂纹扩展率若从疲劳裂纹扩展的全过程来考虑，若从疲劳裂纹扩展的全过程来考虑，McEvily建议使用：建议使用：以上都是半经验性公式，以上都是半经验性公式，M,m,n均为材料常数。均为材料常数。疲劳裂纹扩展率若从疲劳裂纹扩展的全过程来考虑，McEvily33资料仅供参考,不当之处，请联系改正。疲劳裂纹寿命 因因为为第第三三阶阶段段很很短短，使使用用第第二二阶阶段段扩扩展展率率可可以以估估计计结结构构的的寿寿命命。疲劳寿命可得如下疲劳寿命可得如下 由由于于K和和Kmax在在恒恒定定疲疲劳劳载载荷荷下下都都仅仅是是裂裂纹纹长长度度的的函函数数，所所以以上上式最后可化成：式最后可化成：这里为这里为a ai i为初始裂纹长度，为初始裂纹长度，a af f为断裂时的裂纹长度。为断裂时的裂纹长度。疲劳裂纹寿命 因为第三阶段很短，使用第二阶段扩展率可以34资料仅供参考,不当之处，请联系改正。例 题例题例题 求求Griffith裂纹在给定裂纹在给定下的疲劳寿命。下的疲劳寿命。解解 设设已已知知材材料料常常数数C和和n，以以及及初初始始裂裂纹纹半半长长度度ai和和断断裂裂时时的的半半长长度度af。设疲劳裂纹扩展率可用。设疲劳裂纹扩展率可用Paris经验公式计算，即经验公式计算，即:则疲劳寿命为则疲劳寿命为:Griffith裂纹的应力强度因子为：裂纹的应力强度因子为：则疲劳裂纹扩展驱动力：则疲劳裂纹扩展驱动力：例 题例题 求Griffith裂纹在给定下的疲劳寿35资料仅供参考,不当之处，请联系改正。积分得：积分得：因因此此对对疲疲劳劳寿寿命命影影响响最最大大的的除除材材料料常常数数和和应应力力外外，最最主主要要的的还还有有初初始始裂裂纹纹长长度度，而而断断裂裂时时的的裂裂纹纹长长度度影影响响极极微微小小。此此结结果果表表明明要要提提高高疲疲劳劳寿寿命命除除考考虑虑控控制制材材料料性性质质和和工工作作载载荷荷外外，应应加加强强探探伤伤检检查查以以降降低低ai值值，而而微微裂裂纹纹、夹夹杂杂或或刮刮伤伤等等都都可可以以理理想想化化为为初初始裂纹。始裂纹。第一项相比第第一项相比第二项为小量。二项为小量。积分得：第一项相比第二项为小量。36资料仅供参考,不当之处，请联系改正。习 题 试试用用Forman公公式式式式求求双双悬悬臂臂梁梁试试件件的的疲疲劳劳寿寿命命，这这里里C、n、P、Pmax和和KIC都都已已知知。并并讨讨论论初初始始裂裂纹纹长长度度对疲劳寿命的影响。对疲劳寿命的影响。习 题 试用Forman公式式求双悬臂梁试件的疲37资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-6应力腐蚀开裂与环境促进裂纹扩展 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂(stress corrosion cracking)(stress corrosion cracking)是一是一种非常危险的破坏，一般是在低应力下就可能发生，种非常危险的破坏，一般是在低应力下就可能发生，而且脆性断裂前没有预兆，不易发现，因此容易发生而且脆性断裂前没有预兆，不易发现，因此容易发生人身事故。同时结构的寿命在应力腐蚀开裂下也比化人身事故。同时结构的寿命在应力腐蚀开裂下也比化学腐蚀短的多。学腐蚀短的多。不存在应力时腐蚀非常轻微，当应力超过某一临不存在应力时腐蚀非常轻微，当应力超过某一临界值后金属会在腐蚀并不严重的情况下发生脆裂。界值后金属会在腐蚀并不严重的情况下发生脆裂。6-6应力腐蚀开裂与环境促进裂纹扩展 应力腐蚀开38资料仅供参考,不当之处，请联系改正。应力腐蚀开裂必须有下列三个条件才能发生应力腐蚀开裂必须有下列三个条件才能发生（1 1）活活性性介介质质对对不不同同的的钢钢材材，比比较较敏敏感感的的活活性性介介质质是是不不相相同同的的,一一般般奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢和和铁铁素素体体不不锈锈钢钢都都怕怕氧氧化化物物水水溶溶液液，尤尤其其是是在在沸腾的沸腾的42%42%水溶液中更容易发生应力腐蚀。水溶液中更容易发生应力腐蚀。（2 2）应应力力主主要要是是拉拉伸伸应应力力，它它可可由由外外载载荷荷引引起起，也也可可以以是是焊焊接接或或热处理的残余应力。热处理的残余应力。（3 3）敏感性微结构敏感性微结构组织结构对应力腐蚀开裂的敏感性有相当大的组织结构对应力腐蚀开裂的敏感性有相当大的影响，对不同介质敏感性可能不一样。反映在宏观机械性能方面，影响，对不同介质敏感性可能不一样。反映在宏观机械性能方面，应力腐蚀敏感性随材料的强度增高而上升。应力腐蚀敏感性随材料的强度增高而上升。应力腐蚀开裂必须有下列三个条件才能发生39资料仅供参考,不当之处，请联系改正。应力腐蚀裂纹经过了孕育期和应力腐蚀裂纹经过了孕育期和萌生期，才能进入比较快速的裂萌生期，才能进入比较快速的裂纹扩展。在孕育期间，可能经过纹扩展。在孕育期间，可能经过化学腐蚀而产生了化学腐蚀而产生了点坑腐蚀点坑腐蚀，而，而裂纹就从腐蚀坑底部萌生。萌生裂纹就从腐蚀坑底部萌生。萌生的裂纹就象树根一样有许多分叉，的裂纹就象树根一样有许多分叉，其中有一分叉可能发展成主裂纹其中有一分叉可能发展成主裂纹而快速地扩展，其余分叉的扩展而快速地扩展，其余分叉的扩展可能停止或相当缓慢。可能停止或相当缓慢。应力腐蚀裂纹经过了孕育期和萌生期，才能进入比较快40资料仅供参考,不当之处，请联系改正。应力腐蚀裂纹也可以不经过腐蚀坑洞而萌生。钢应力腐蚀裂纹也可以不经过腐蚀坑洞而萌生。钢材表面的氧化膜随氧化反应的时间而渐渐增厚，若局材表面的氧化膜随氧化反应的时间而渐渐增厚，若局部地区因为有缺陷或人为造成的应力集中，使得局部部地区因为有缺陷或人为造成的应力集中，使得局部地区的母材应力超过屈服应力，由于较厚的氧化膜是地区的母材应力超过屈服应力，由于较厚的氧化膜是脆性的或比较疏松，因此，在滑移的作用下此膜破裂。脆性的或比较疏松，因此，在滑移的作用下此膜破裂。如此，经过多次的薄膜重复破裂，终于形成了微裂纹。如此，经过多次的薄膜重复破裂，终于形成了微裂纹。如果工作应力是交变的，则疲劳载荷可以较快地使薄如果工作应力是交变的，则疲劳载荷可以较快地使薄膜破裂而形成裂纹。膜破裂而形成裂纹。应力腐蚀裂纹也可以不经过腐蚀坑洞而萌生。钢材表面41资料仅供参考,不当之处，请联系改正。传统的应力腐蚀试验是采用小夹传统的应力腐蚀试验是采用小夹具和光滑试件，在恒载荷或恒位移的具和光滑试件，在恒载荷或恒位移的情况下，定性地验证钢材的应力腐蚀情况下，定性地验证钢材的应力腐蚀开裂的敏感性。从图中可见，随应力开裂的敏感性。从图中可见，随应力水平的下降，支撑时间可加长，当应水平的下降，支撑时间可加长，当应力小于抗应力腐蚀的强度极限时，寿力小于抗应力腐蚀的强度极限时，寿命可能达到所希望的时间。根据结构命可能达到所希望的时间。根据结构所希望达到的寿命，可设计工作应力所希望达到的寿命，可设计工作应力水平小于抗应力腐蚀的强度极限。这水平小于抗应力腐蚀的强度极限。这样的设计和以疲劳强度或疲劳极限的样的设计和以疲劳强度或疲劳极限的设计一样，都是无限寿命的设计。设计一样，都是无限寿命的设计。传统的应力腐蚀试验是采用小夹具和光滑试件，在恒载42资料仅供参考,不当之处，请联系改正。为了定量地测出钢材应为了定量地测出钢材应力腐蚀的敏感性，有必要力腐蚀的敏感性，有必要研究腐蚀裂纹的扩展率。研究腐蚀裂纹的扩展率。典型的裂纹扩展率与应力典型的裂纹扩展率与应力强度因子间关系如图所示。强度因子间关系如图所示。裂纹扩展率分为三段，在裂纹扩展率分为三段，在名义裂纹扩展门槛值名义裂纹扩展门槛值“”以下，裂纹处在萌生期，以下，裂纹处在萌生期，扩展率可以忽略，当应力扩展率可以忽略，当应力强度因子超过门槛值后，强度因子超过门槛值后，裂纹扩展率快速地增加裂纹扩展率快速地增加 。为了定量地测出钢材应力腐蚀的敏感性，有必要研究腐蚀裂纹43资料仅供参考,不当之处，请联系改正。测量KISCC的方法 一般认为是衡量抗应力腐蚀裂纹扩展能力的材料一般认为是衡量抗应力腐蚀裂纹扩展能力的材料常数。测量常数。测量 的方法最主要的有两种的方法最主要的有两种一种是悬臂一种是悬臂梁试件的恒载荷法；另一种是改进型梁试件的恒载荷法；另一种是改进型WOLWOL试件的恒位移试件的恒位移法。法。测量KISCC的方法 一般认为是衡量抗应力腐蚀裂44资料仅供参考,不当之处，请联系改正。悬臂梁试件的恒载荷法 悬悬臂臂试试件件恒恒载载荷荷法法的的示示意意图图如如图图所所示示。载载荷荷是是用用加加砝砝码码来来达达到到的的。悬悬臂臂梁梁试试件件的的应应力力强度因子表达式为强度因子表达式为悬臂梁试件的恒载荷法 悬臂试件恒载荷法的示意图如图所示。载荷45资料仅供参考,不当之处，请联系改正。试件先开缺口，并预制疲劳裂纹。试验时加以一切始试件先开缺口，并预制疲劳裂纹。试验时加以一切始应力强度因子应力强度因子 ，并测量所需要的断裂时间，并测量所需要的断裂时间 。经。经过多试件的试验，过多试件的试验，与与 的关系如图所示，如此所得的关系如图所示，如此所得的是的是 的一个上限。的一个上限。试件先开缺口，并预制疲劳裂纹。试验时加以一切始应力强度因46资料仅供参考,不当之处，请联系改正。改进型WOL试件的恒位移法 用改进用改进WOLWOL试件，则一个试件就可以得到一个名义试件，则一个试件就可以得到一个名义 值，这种试验方法省料，但要求试验的时间比较长往值，这种试验方法省料，但要求试验的时间比较长往往超过上千小时。试件如图所示。往超过上千小时。试件如图所示。改进型WOL试件的恒位移法 用改进WOL试件，则一个试件47资料仅供参考,不当之处，请联系改正。由于是位移法，在试验过程中，裂纹长度随时间而增由于是位移法，在试验过程中，裂纹长度随时间而增加，但应力强度因子因卸载反而减小，其关系如前图加，但应力强度因子因卸载反而减小，其关系如前图所示。当应力强度因子不再降低时，其值即为所示。当应力强度因子不再降低时，其值即为 。由于是位移法，在试验过程中，裂纹长度随时间而增加，但应力48资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6-7 氢脆简介 氢可进入金属材料，以原子间隙固溶的形式，或氢可进入金属材料，以原子间隙固溶的形式，或在微空穴以分子状态形式，或形成稳氢化物形式而存在微空穴以分子状态形式，或形成稳氢化物形式而存在于材料内部，从而使金属材料的韧性降低，导致低在于材料内部，从而使金属材料的韧性降低，导致低工作应力下发生脆性断裂。这些现象称为氢脆。工作应力下发生脆性断裂。这些现象称为氢脆。6-7 氢脆简介 氢可进入金属材料，以原子间隙固溶49资料仅供参考,不当之处，请联系改正。如果氢在冶炼时就进入金属而引起脆性化则成为如果氢在冶炼时就进入金属而引起脆性化则成为内部氢脆。若是构件在工作期间，由外部介质通过表内部氢脆。若是构件在工作期间，由外部介质通过表面吸附作用或电化学反应而进入金属，则称为外部氢面吸附作用或电化学反应而进入金属，则称为外部氢脆。脆。白点内部氢脆最典型的例子，常常存在于大截面白点内部氢脆最典型的例子，常常存在于大截面的中碳钢或合金结构钢的构件中。白点可作为圆形或的中碳钢或合金结构钢的构件中。白点可作为圆形或椭圆形裂纹来处理。因裂纹的存在，断裂应力将低于椭圆形裂纹来处理。因裂纹的存在，断裂应力将低于屈服应力。屈服应力。如果氢在冶炼时就进入金属而引起脆性化则成为内部氢50资料仅供参考,不当之处，请联系改正。外部氢脆和应力腐蚀有很多相似的地方，例如外部氢脆和应力腐蚀有很多相似的地方，例如（1 1）对介质的敏感性随材料的屈服强度增加而增加；）对介质的敏感性随材料的屈服强度增加而增加；（2 2）通常是不连续的裂纹扩展；）通常是不连续的裂纹扩展；（3 3）延迟破坏；）延迟破坏；（4 4）裂裂纹纹扩扩展展率率与与应应力力强强度度因因子子间间的的关关系系与与图图(6(623)23)相似，都具有开始扩展的门槛值和平台阶段的相似，都具有开始扩展的门槛值和平台阶段的 （5 5）合合金金元元素素、杂杂质质偏偏析析、晶晶粒粒大大小小、热热处处理理、金金相相组组合等冶金因素的影响类似；合等冶金因素的影响类似；（6 6）温度的影响类似。）温度的影响类似。外部氢脆和应力腐蚀有很多相似的地方，例如51资料仅供参考,不当之处，请联系改正。从外部介质如何引起氢脆现象，是一个至今仍未完全解决的问题。从外部介质如何引起氢脆现象，是一个至今仍未完全解决的问题。比较广泛为人们所接受的氢脆模型如图比较广泛为人们所接受的氢脆模型如图 。氢脆过程1.介质分子传输到裂端区2.物理吸附反应3.分解性化学吸附反应4.氢渗入金属内部5.氢扩散到断裂进行区内6.脆化反应 从外部介质如何引起氢脆现象，是一个至今仍未完全解决的问题52资料仅供参考,不当之处，请联系改正。由由于于断断口口的的显显微微特特征征相相当当复复杂杂，因因而而根根据据断断口口特特征征而而提提出出的的脆脆化机理也是不同的。下面介绍六个模型：化机理也是不同的。下面介绍六个模型：（1 1）压压力力模模型型断断裂裂面面发发现现有有许许多多半半球球形形小小坑坑(又又叫叫作作韧韧窝窝)，由由此此认认为为，断断裂裂机机理理是是由由于于氢氢在在局局部部高高应应力力作作用用下下进进入入材材料料的的微微空空穴穴而而被被陷陷住住，空空穴穴的的空空间间较较大大，可可合合成成氢氢气气，在在氢氢气气压压和和应应力力的的作作用用下下，微微空空穴穴扩扩大大，空空穴穴间间距距离离缩缩小小而而终终于于连连成成一一串串，形成了断裂面，可由图形成了断裂面，可由图(6(629)29)表示此模型。表示此模型。图6-29 压力模型 图6-30 内聚强度降低模型 由于断口的显微特征相当复杂，因而根据断口特征而提出的脆化53资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（2 2）表表面面吸吸附附模模型型开开裂裂的的原原因因是是氢氢吸吸附附在在金金属属表表面面，并并进进入入部部和和扩扩散散到到裂裂端端前前，氢氢的的采采摘摘使使材材料料变变慢慢自自由由能能降降低低。当当表表面面自自由由能能降降低低时时，有有GriffihtGriffiht理理论论可可知断裂应力也将降低。知断裂应力也将降低。（3 3）内内聚聚强强度度降降低低模模型型如如图图(6(630)30)，晶晶体体平平面面间间或或晶界间内聚强度因氢的存在而低至。晶界间内聚强度因氢的存在而低至。（4 4）氢氢助助塑塑性性变变形形模模型型位位错错可可以以传传带带氢氢原原子子到到应应力力集集中中处处，同同时时氢氢原原子子可可使使材材料料屈屈服服应应力力降降低低，塑塑性性变变形形更加容易。更加容易。（2）表面吸附模型开裂的原因是氢吸附在金属表面，并进入部和54资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（5 5）氢化物解理模型）氢化物解理模型这主要存在于钛、锆、铌等可以形成稳定这主要存在于钛、锆、铌等可以形成稳定氢化物的金属或合金中。氢化物较脆，在拉伸应力作用下容易氢化物的金属或合金中。氢化物较脆，在拉伸应力作用下容易解理断裂，因而萌生裂纹或促进裂纹扩展。这可由图解理断裂，因而萌生裂纹或促进裂纹扩展。这可由图(6(631)31)表表示出来，裂纹沿着氢化物的某解理平扩展，图中的表示氢通量，示出来，裂纹沿着氢化物的某解理平扩展，图中的表示氢通量，箭头指氢扩散方向。箭头指氢扩散方向。图6-31 氢化物解理模型（5）氢化物解理模型这主要存在于钛、锆、铌等可以形成稳定氢55资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（6 6）竞赛模型）竞赛模型超高强钢的氢致开裂断口，通常包含有晶间断裂、超高强钢的氢致开裂断口，通常包含有晶间断裂、准解理断裂和韧窝三种机制中的一种或二种以上同时存在。在第准解理断裂和韧窝三种机制中的一种或二种以上同时存在。在第二阶段裂纹扩展率中，宏观的应力强度因子不影响裂纹扩展率，二阶段裂纹扩展率中，宏观的应力强度因子不影响裂纹扩展率，此时断口特征将由裂端前晶间氢浓度、准解理面氢浓度和微空穴此时断口特征将由裂端前晶间氢浓度、准解理面氢浓度和微空穴氢气压以及微观应力方向和大小来共同决定是那一种机制出现。氢气压以及微观应力方向和大小来共同决定是那一种机制出现。外部介质浓度外部介质浓度(或气压或气压)以及表面化学反应速率影响着晶间、准解以及表面化学反应速率影响着晶间、准解理面和微空穴的氢浓度。材料的组织结构也起一定的影响。理面和微空穴的氢浓度。材料的组织结构也起一定的影响。（6）竞赛模型超高强钢的氢致开裂断口，通常包含有晶间断裂56