疲劳和断裂读书报告

材料的疲劳和断裂读书报告在这个报告里，首先阐述材料的疲劳和断裂机理、规律，其次阐述钛合金的疲劳和断裂，以及解决方法。在之前的本科课程里《工程材料力学性能》、《》、《失效分析》，对金属的疲劳、断裂、蠕变都进行了较为详细的阐述。同时，也进行了TC4合金的疲劳性能实验，因此对疲劳相关的知识有了一定的了解。在大多数情况下，零件承受的并不是静载荷，而是交变载荷。在交变载荷作用下，材料往往在低于屈服强度的载荷下，发生疲劳断裂。例如，汽车的车轴断裂，桥梁，飞机等。因此对于疲劳断裂的研究是很有意义的。一般来说，疲劳的定义是：金属材料或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳。断裂的定义是：由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹扩展为失稳裂纹，最终材料发生断裂。在此，需要明确疲劳和断裂的关系。疲劳和断裂在机理研究和工程分析时是紧密相连的，只是疲劳更侧重于研究裂纹的萌生，断裂力学则侧重于裂纹的扩展，即带裂纹体的强度问题。对于疲劳，阐述的思路是疲劳分类及特点，疲劳机理与断口，疲劳性能表征，影响疲劳的因素。对于断裂，从宏观和微观的角度分别阐述。1疲劳1.1疲劳分类及特点疲劳分类方法如下：（1）按应力状态不同，可以分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳；（2）按环境和接触情况不同，分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳；（3）按照断裂寿命和应力高低不同，分为高周疲劳和低周疲劳，其中高周疲劳也是低应力疲劳，低周疲劳即高应力疲劳。疲劳特点如下：（1）材料在交变载荷峰值远低于材料强度极限时，就可能发生破坏，表现为低应力脆性断裂特征。这是因为，疲劳时应力较低（低于屈服强度），因此在宏观上看，材料没有塑性变形。在裂纹扩展到临界尺寸时，发生突然断裂。（2）材料疲劳是一个累积过程，尽管疲劳断裂表现为突然断裂，但是在断裂前经历了裂纹萌生，微裂纹连接长大，裂纹失稳扩展的过程。而形成裂纹后，可以通过无损检测的方法来判断裂纹是否达到临界尺寸，从而来判断零件的寿命。（3）疲劳寿命具有分散性。对于同一类材料来说，每次疲劳测试的结果都不会相同，有的时候相差很大。因此在测量疲劳寿命时，需要采用升降法和分组法来测得存活率为50%的疲劳强度。（4）疲劳对于缺陷很敏感。这些缺陷包括材料表面微裂纹，材料应力集中部分，组织缺陷等。这些缺陷加速材料的疲劳破坏。（5）疲劳断口记录了疲劳断裂的重要信息，通过断口分析能了解到疲劳过程的机理。1.2疲劳裂纹形成和扩展机理及断口一般把疲劳分成裂纹形成和裂纹扩展过程。而研究疲劳机理，都是借助于某一种模型来研究，这在断裂力学，蠕变过程的研究中经常看到。裂纹形成：资料表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。主要包括表面滑移带开裂；第二相、夹杂物或其界面开裂；晶界或亚晶界开裂等。（1）裂纹形成的延性材料滑移开裂模型。在静拉伸过程中，可以在光滑试样表面看到滑移带，这是由于位错的滑移形成的。在交变载荷下，金属表面的滑移带出现了“挤入”和“挤出”现象。尽管交变载荷的应力低于屈服强度，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。循环滑移是极不均匀的，集中分布于局部薄弱地区，并且会在试样表面形成驻留滑移带。驻留滑移带随着循环次数的增加而加宽，在此过程中，由于位错的塞积和交割作用，在驻留滑移带处形成微裂纹，同时还会出现挤出脊和侵入沟，形成应力集中和空洞，经过一定时间形成微裂纹。挤入和挤出可以通过交叉滑移模型来说明。即柯垂尔-赫尔模型，但是在此模型中，挤出和挤入分别是由两个滑移系统中形成的，和实验中观察到的挤出和挤入在同一滑移系的相邻部位不一致。因此，从这个模型中可以看出，增加位错滑移抗力能阻止疲劳裂纹萌生，提高疲劳强度。而位错滑移抗力主要有。。。。因此采用固溶强化和细晶强化等能提高疲劳强度。（2）相界面开裂产生裂纹在这种模型中，疲劳源来自于材料中第二相或夹杂物，这分成两类，一是第二相、夹杂物和集体界面开裂，二是第二相、夹杂物本身开裂形成的疲劳裂纹。因此其解决方法为，降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相的数量、形态、大小和分布，形成“少、圆、小、均”的分布，能提高疲劳强度。（3）晶界开裂产生裂纹位错在晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处形成产生位错塞积和应力集中。在应力不断循环下，晶界处应力超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。因此，晶界强化、净化和细化晶粒能提高疲劳强度。一般来说，强化晶界的措施有。。。。。。。（4）空穴聚集模型循环加载会形成大量空穴，这些空穴聚集形成缺陷而最终形成裂纹。裂纹扩展：裂纹形成后就开始扩展，根据裂纹扩展方向，裂纹扩展分成两个阶段。（1）沿最大切应力方向滑移微裂纹形成后，裂纹沿主滑移方向，以纯剪切方式向内扩展，多数微裂纹成为不扩展裂纹，只有少数裂纹会扩展2-3个晶粒范围。在此阶段，裂纹扩展速率很低，每次应力循环裂纹扩展量为0.1μm。在断口中，第一阶段的形貌特征不明显，只有一些擦伤的痕迹；但在强化材料中可看到周期解理花样或准解理花样，以及沿晶开裂的冰糖状花样。（2）裂纹沿垂直于拉应力方向扩展裂纹扩展过程中，不断受到晶界的阻碍，裂纹的扩展路径发生变化，向垂直于拉应力的方向扩展。此阶段为裂纹亚稳扩展，在室温和无腐蚀条件下为穿晶扩展。其速率约为10-5-10-2mm/次。断口分析表明，此阶段形成疲劳条带，每一条带可以视为一次应力循环的扩展痕迹。裂纹扩展方向垂直于条带。断口特征：（1）疲劳源疲劳源一般在材料的薄弱部位产生，如材料表面（有缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷）、材料内部（有夹杂、缩孔、偏析等缺陷）。在裂纹亚稳扩展中，该区域不断摩擦挤压，因此显得光亮平滑。（2）疲劳区为裂纹亚稳扩展形成的区域，其特征为：断口平滑并有贝纹线。其中贝纹线的微观结构为疲劳条带。一般来说，贝纹线是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。（3）瞬断区裂纹失稳扩展形成的区域。脆性材料的瞬断区为结晶状断口；韧性材料，在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。1.3疲劳性能表征疲劳强度用材料的疲劳极限来表示，即σ-1，规定循环次数N=107次（对称循环，应力比r=-1）不断裂对应的应力作为条件疲劳极限。一般来说，疲劳极限的测定具有很大的分散性，因此测试疲劳强度需要采用升降法和分组法。1.4疲劳的影响因素（1）不同应力状态的影响同一材料在不同应力状态下测得的疲劳强度不同。例如，应力循环方式（正弦变化等），应力比（一般选择对称循环）。材料强度的影响金属材料的抗拉强度越高，疲劳极限越大。一般来说，疲劳极限为（0.45-0.5）σb。（2）过载的影响在材料实际载荷中，应力的变化并不是像实验那样，具有稳定性。一般测得的疲劳强度都是事先确定的载荷谱，而实际载荷谱是不断变化的。有时候会有过载，因此过载对于疲劳的影响应该被考虑。（3）缺口的影响缺口会引起应力集中，而在应力集中的部位易成为裂纹源，这对于材料的疲劳强度影响很大。工程上常用疲劳缺口敏感度qf来表示。（4）材料表面状态的影响材料表面经常成为疲劳源，例如表面机加工后的刀痕、擦伤等。因此材料表面存在缺陷将会使材料疲劳性能降低。（5）表面强化的影响实践证明，表面残余压应力能提高材料的疲劳强度。采用喷丸强化、表面滚压、激光冲击硬化能增加表面的残余压应力，从而提高材料的疲劳强度。（6）材料成分的影响改变成分能沟改变材料的微观组织，改变材料的力学性能。（7）材料热处理影响材料热处理后，晶粒度，及第二相的形态都会发生改变，从而影响疲劳性能，其具体机理还需要进一步学习。（8）材料的组织缺陷的影响疲劳源产生于薄弱部分，如果材料内部有组织缺陷，如分金属夹杂，冶金缺陷，如微孔等。则在此处容易成为裂纹源。（9）材料加工的影响例如，在材料轧制过程中，导致组织形成。。。。。。，从而在不同方向上，材料的疲劳强度不同。2断裂力学磨损、腐蚀、断裂是材料失效的三种形式。由于材料断裂时，塑性变形不明显，表现为突然断裂。断裂的危害更大。由于没有绝对无缺陷的材料，几乎所有的材料都有微观裂纹，因此讨论断裂力学（带裂纹的材料强度问题），也是很有必要的。一般来说，最终断裂都包括了裂纹萌生，裂纹扩展，失稳扩展阶段。裂纹萌生主要是疲劳研究的内容，而断裂力学主要研究裂纹的扩展。断裂力学的研究方法仍然是建立模型，推导出判断断裂的标准宏观和微观采用的模型是不同的，其中宏观模型一般采用无结构的连续介质模型，而微观模型一般是研究电子云交互作用，建立原子结合力模型。在这个过程中，我更多的是看相关的模型及其适用范围，了解推导过程，对于具体的推导没有详细看。在报告中主要分为宏观断裂力学和微观断裂力学。2.1宏观断裂力学2.1.1线弹性断裂力学在这里阐述一个较为重要的断裂判断标准，应力场强度因子，即断裂韧度判据，此模型是一个无限大平板，板中预先有一个长度为2a的裂纹（张开性裂纹），板受均匀拉应力σ。对裂纹尖端附近求应力场和位移场，欧文（G.R.Irwin）求出裂纹附近的应力场具有r-1/2奇异性，并且应力场大小取决于应力场强度因子KΙ。因此KΙ的大小可以表示应力场的强弱程度。一般来说KΙ的一般表达式为：KΙ=Yσa，其中Y为裂纹形状系数（无量纲），σ为应力，a为裂纹半长。当KΙ增大到临界值时，裂纹尖端的应力较大范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹就失稳扩展。把临界的KΙ记作KΙc，称为断裂韧度。断裂韧度的作用是：线弹性断裂力学确定了裂纹尖端应力场具有r-1/2奇异性，但是真正奇异的力是不可能的，当裂尖的应力足够大时，裂尖部分屈服。在小范围屈服条件下，为了使断裂韧度仍然适用，需要对KΙ进行修正。因此需要知道塑性区尺寸和形状。根据弹性力学方程，求出裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并且考虑到应力松弛，得到塑性区的尺寸是未考虑松弛的两倍。而在塑性区外，应力场分布仍然符合弹性力学下裂纹尖端的应力分布。因此可以考虑，采用有效裂纹长度的方法使得KΙ判据仍然适用。此时KΙ=Yσya+r，ry即为有效裂纹的塑性区修正值。2.1.2弹塑性断裂力学在线弹性断裂力学中，裂纹尖端仅有小范围屈服，采用有效裂纹修正可以使得断裂韧度判据继续使用。而弹塑性力学的研究范围是：当裂纹尖端前缘的塑性区尺寸大到了与裂纹尺寸相近，或超过；应力场强度因子已经不再适用这种大范围屈服。目前研究弹塑性力学问题的方法有能量法即J积分和裂纹尖端张开位移法。