超高周疲劳研究现状及展望.pdf
- 文档编号:14651360
- 上传时间:2023-06-25
- 格式:PDF
- 页数:12
- 大小:885.51KB
超高周疲劳研究现状及展望.pdf
《超高周疲劳研究现状及展望.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《超高周疲劳研究现状及展望.pdf(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
l:
|乙械缛度2004,26(5):
526533超高周疲劳研究现状及展望枭RETROSPECTANDPRoSPIECTOFRYH【GHCYCLEFATI(孔甩周承恩“谢季佳一洪友士。
”(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京100080)ZHOUChengEnXIEJJiaHONGYOuShi(砒K砂如or口幻,y矿0以i聊口r胁c玩凡拯(M),风疵姚旷他c玩n洳,饥i懈eAc诎啊矿Sc如nces,莎昭100080,观ino)摘要超高周疲劳是指疲劳周次达到108及其以上时材料的疲劳行为。
与一般认识的疲劳行为不同之处是,超高周疲劳发生在传统疲劳极限以下,因此研究超高周疲劳行为有助于进一步理解疲劳的本质和疲劳机理。
文中综述近几年超高周疲劳研究的进展,包括超高周疲劳的典型特征,如s一曲线的特点、断口特征、断面上的鱼眼形貌以及裂纹的起源与扩展特征等;分析疲劳机理和相关的模型以及简要探讨影响超高周疲劳的一些因素,如加载频率、加载方式、氢的作用等。
在此基础上提出值得进一步研究的几个问题。
关键词超高周疲劳疲劳机理疲劳极限内部裂纹起源中图分类号03462Al袖阳ctHiglcyclefatigueist11ernostco姗onreaSonsfor陆lureofc伽耳)0nentsa11dstmcturesM0stoftlefati鼬etes协wereacc0Hlplishedbelowtentohun出地r晡uionsofcycksinlitemtuIeHawever,railwaywh胱lsandrails,硪蓉hore咖ctures,醅d驽es,etc,havetoendurefatigueloa出uptotenbillioncycles删10ut黼lureVerykghcycle枷gue(VHcF)ismestudy0f舢gue陆lurebellaviorsofmatedals锄dstmcturesat趴dbeyondhurldreds111iUionsofcvclesEveninsomeferrous衄terials,“|lichwere鹊s岫1edt0kweaf乱igLlelirnit,veryhighcyclef乩iguef越luresaredetectedTillnow,tlerearef毫woff缸iguetests,f越lure趴alysis蚰dr舱chani哪ofVHCFfatigue,compared埘thabund删resulton10wcyck舢gue(LCF)蚰dlliglcycle觚gue(HCF)regime眦sp畔sur】删zesworksofVHCFf撕gueinrecemyea玛,such鹊出eobsenratiollson6sh-eye,尚chisoneofthet印icalchracteristicsofVHCFfatigue,cracki血tiation,crackpI珥旧gation锄ddiscussionsabouttheshape0fs一curve,etcThepresentworkals0analyzestllefatiguenlechaJlisr璐andconcludessonletheoreticalmodelsofVHCFfhtigueSc盯11epossibleandprospective鹊pects0ffutIlrereseaIhes眦alsoproposedKeyw础very蚴cyde蜥gue;删珊愀llaIl蛔;删岫蛳t;sllb赋融伽溅湖伽啪co刖印,l幽唱口眦砌r:
z日DU仇臀眈,B,m订:
石吧加n拥e娩cn,屁x:
+86-1062561284MaIluscplDeceived20030503,inre“鸵dfoIm2003cr7211引言材料的疲劳以及与此相关的安全设计一直是人们十分关心的问题。
随着技术和需求的发展,在许多工业应用中,包括飞行器、汽车、铁路、桥梁、船舶等,部件的疲劳寿命通常要求在108以上,有时甚至达到1011周次。
虽然自18世纪中珊亩ler的工作以来,疲劳研究积累了大量的实验数据,建立了不少理论模型,但是,这些研究工作大多集中在低周疲劳(10wcyclefatigue,LCF)和高周疲劳(hi出cycle觚gue,HCF)阶段,循环周次不超过106107周次。
存在这种局面不外乎以下几个原因,其一,疲劳试验需要较长的时间和较高的费用。
由于循环载荷特征、外部环境、材料表面状况、温度以及实验样本个性行为导致疲劳数据的分散性(尤其在HcF阶段),需要大量的试样来获得疲劳寿命和了解疲劳机理。
即使在30Hz频率下,完成一个试样107周次的疲劳试验也需要近4天的时间。
其二,对大量应用的铁系合金,|s一曲线似乎存在一个水平渐进线,即传统意义下的疲劳极限。
低于该极限,材料似乎不会发生疲劳失效。
对非铁系合金不存在该极限,应用中需要定义相应载荷下的疲劳寿命,可是108周次以上的数据仍然缺乏。
其三,传统工程设计对疲劳寿命的要求决定了108周次以上的疲劳行为一直未受关注。
为了适应工程技术的需求,有必要而且必须研究108。
1012周次内材料的疲劳行为和疲劳机理。
该区来200姗收到初稿,2003072l收到修改稿。
料周承恩,男,19r72年9月生,内蒙古托县人,汉族。
中科院力学所LNM室博士研究生,研究方向为固体力学、材料的疲劳。
鬻料谢季佳,男,19r73年8月生,湖南衡阳人,汉族。
中国科学院力学研究所LNM室助研,研究方向为材料力学性能、纳米材料和结构。
*料洪友士,男,1951年7月生,福建省厦门市人,汉族。
中国科学院力学研究所所长,研究员,博士生导师,研究方向为材料力学性能与内部结构。
万方数据第26卷第5期周承恩等:
超高周疲劳研究现状及展望间的疲劳被称为超高周疲劳veryh诎cyclefati;ue(VHCF)幢3J,亦称之为ultmhi小cyclefatigue43或ultra1叫glifefatigue5J。
另外也有学者称之为gi鲫yclefatigueL6删。
由于超高周疲劳发生在传统疲劳极限以下,因此研究超高周疲劳行为不仅对疲劳设计具有指导意义,而且更有助于深入理解疲劳的本质,尤其是对裂纹起源和萌生的认识。
由于用传统方法进行超高周疲劳实验耗时长,超声疲劳成了一种研究VHCF的有效工具。
目前完成和正在进行的研究工作大部分采用了超声疲劳方法。
在20kHz频率下,完成109周次疲劳试验仅需十几个小时,而1010以上周次疲劳试验更是非超声方法莫属。
自上世纪50年代该方法出现以来,经过多年的发展,超声疲劳可以在不同载荷特征910|、不同环境11123和温度【13143等条件下进行,为疲劳研究提供了很好的手段。
另外值得关注的是,在Sal(ai以及Miller、Ritchie等发起的国际合作项目中,坚持用传统的方法研究VHcF问题,积累了大量的数据15。
,为分析超高周疲劳机理打下了良好的基础。
以下介绍近几年来该研究领域的一些实验和理论分析进展,包括超高周疲劳的特征、理论模型和影响因素等,并简要探讨该领域的发展前景。
限于目前的研究大部分集中在铁系合金上,以下的范围也主要集中于此,虽然非铁系合金及复合材料等的超高周疲劳行为也是值得研究的内容u氐17J。
2超高周疲劳的特征和疲劳机理超高周疲劳,或者说在传统意义的疲劳极限之下发生的疲劳断裂现象,首先是在高强钢和表面强化钢中发现的1819|。
在一般钢和球墨铸铁中也有这种现象发生。
包括超高周疲劳阶段在内的s一曲线一般表现为阶梯状(ste州se),如图l所示旧j。
由于目前已完成的超高周疲劳的周次仍限制在1010周次以内,1010以上材料的疲劳行为以及是否存在另一个“疲劳极限”仍不清楚。
材料可能不存在疲劳极限,对材料的疲劳设计有很大的影响。
对钢轨、桥梁和车辆等的设计,长期以来一直采用的是无限寿命设计准则,材料在传统疲劳极限以下仍然发生疲劳断裂的事实,使得该准则的使用受到怀疑。
与低周疲劳和高周疲劳中裂纹大多在材料或试样的表面出现相比,超高周疲劳的裂纹倾向于在材料的内部萌生。
这对其他一些设计方法,如破损一安全设计和损伤容限设计提出了很高的要求,因为裂纹萌生和扩展的监测变得十分困难。
而且,这两种设计方法适用于裂纹扩展较慢并有高断裂韧度的材料,在高强和超高强钢中应用这两种准则仍需要理论的发展和技术的进一步完善。
另外,对裂纹在表面萌生的情况,任何针对表面的物理或化学处理方法均有可能改善材料的疲劳性能。
而对裂纹萌生在内部的情况,改善材料疲劳性能需要考虑其他冶金学方面的方法。
21裂纹起源特征一般来说,低周疲劳有多个表面裂纹源,高周疲劳有单个表面裂纹源,其机理均为滑移造成材料表面的挤入挤出,逐渐形成驻留滑移带PsB(persistemslipband)。
由PSB发展成与主应力方向约成45。
角的表面裂纹(第1阶段),在跨过几个晶粒之后,逐步转向垂直于主应力方向的主裂纹(第阶段)n21I,其典型断口如图2a所示旧j。
超高周疲劳一般有单个的内部裂纹源,在断口上形成一个白色的亮点,即所谓的鱼眼状(fisheye)特征,如图2b所示,也有在一个断口上发现多个鱼眼的情况6j。
用扫描电镜观察裂纹源,发现裂纹源一般为较大的非金属夹杂物。
Nis嫡i呦等63分析了夹杂物的三维拓扑图象,见图3,认为内部裂纹的起源机制和表面裂纹相同,是由滑移主导的剪切裂纹逐步转入拉伸裂纹。
芷芝酽等量五写墅荡馨最翅弋non内部起源Crackinitiationonintemalinclusion,|,传统疲劳极限超高周阶段TraditionalfatigueIimit疲劳寿命Numberofcyclestofailure(a)示意图(a)Sck粕a主icof5一c唧e103104105106107108109101010疲劳寿命Numberofcyclestofailurecyclo(b)旋转弯曲疲劳Js一实验数据(b)S一d砒a0fIDt“g-be础ng枷gue川图1超高周疲劳s一曲线心1S一咖of、哪蛐cyde觚胖臻aJ荡R避西42O86万方数据机械强度(a)高周疲劳裂纹源22(a)F8tigue甜西n0fhi出c”lefatigue22(b)超高周疲劳裂纹源的鱼眼特征(b)Fi8ll-eyeandthefati印e埘西nofVHCF图2断口形貌Fig20bservationoffbcturesurface对裂纹起源从材料表面向内部转移的原因有不同的解释。
Miller等o认为,由于载荷的降低,表面的第工阶段剪切裂纹不能穿越界面进入下一个晶粒,因而不能形成第阶段的拉伸裂纹;与此同时,内部某处的应力集中,包括(i)与拉应力方向垂直的长晶界,相当于内部裂纹。
(ii)位于两到三个大晶粒间的夹杂物或小的晶粒,或者是(i)和(ii)的混合将导致非常小的第工阶段然后是第阶段裂纹产生。
Mu小础P。
认为,传统的疲劳极限相当于“PSB极限”,低于该极限,相应于某一表面粗糙度,表面的不可逆滑移可以忽略,或者说PsB不会形成。
但是,每一循环仍会造成不可逆的应变,虽然该应变比PSB中的局部应变要小的多。
在经过足够长的周次之后,最终的疲劳失效仍会发生。
王清远等7、Bathiaus剐也有类似的观点。
Bamias的另一种解释认为,当载荷降低到一定程度时,只有少数承受应力集中的晶粒可能产生塑性,而在材料内部发现该类型晶粒的概率要大于表面,使得裂纹倾向于在内部生成。
图4给出在16107周次未断裂的高周疲图3裂纹源夹杂物三维形貌6Fig3At叩09rap_lic鹊sessmemofacracki血tiationsitewithina6sIleye6图4商周疲劳试样1EM照片,显不出在不同晶粒内变形的不均匀性4Fig4TEM商cmgraphindicatestheinhoITDgeneousdistmIutionofc”Iicpl鹅Iicd幽肼埘i帆in10wCaIbonsteelcycledinHCFre舀0n4劳试样的TEM照片,其中一个晶粒内部产生了松散的位错结构,而相邻的晶粒内部没有位错。
可以推想VHCF中这种塑性应变的不均匀性将更加明显。
Nishi讧眦等帕。
观察了400下疲劳的1Cr-O5Mo钢的截面,发现表面有一层硬度比基体高得多的氧化层。
他们认为该氧化层将位错“锁”在基体内部,抑制了表面变形的产生。
事实上从位错理论也可得出类似的观点。
在室温下,氧化层要薄得多,但是在足够低的载荷下仍可以抑制表面裂纹的生成。
在Murak锄i等1的实验中采用表面硬化的试样,认为表面残余压应力和内部残余拉应力是断裂源转入内部的起因。
对于旋转弯曲疲劳实验,超高周疲劳的裂纹源非常靠近表面,但仍然表现为明显的鱼眼状特征50;对万方数据第26卷第5期周承恩等:
超高周疲劳研究现状及展望图50DA区,FGA(finegranulararea)即0DA22Fig5Finegranular盯ea(FGA),tlesamemeanwim叩ticaldrakarea(ODA)【22拉一压、拉一拉类型的疲劳实验,鱼眼状裂纹源的位置应该比旋转弯曲疲劳实验更远离表面,而在整个试样截面上均匀分布。
然而多数实验表明,裂纹源在截面各个位置上出现的概率并不相同,而是更倾向于在靠近表面的位置出现J。
其中的例外是在Mu泳踟i等旧的实验中,由于表面硬化层的厚度达到试样直径的四分之一,因此所有的裂纹起源于靠近试样中心的部分。
这说明表面的作用对裂纹的起源仍有很大的影响,但是其影响的机理并未有人阐述。
更进一步观察裂纹起源,M心血aIIli等发现在夹杂物的周围往往存在一个与一般裂纹扩展表面特征不同的“暗区”(ODA,opticaldarkarea),该区的表面要比一般的疲劳断裂表面粗糙,见图5。
经历低周疲劳或高周疲劳发生断裂的试样一般不会表现出这种特征。
另外,一般大的“暗区”对应较长的疲劳寿命。
Murakami猜想超高周疲劳行为以及“暗区”的出现与氢的作用有关,并在随后的文章o中给出实验方面的证据,见下文的阐述。
22疲劳寿命和裂纹扩展特征古几集试栏绨所1护圈次的疲劳宴验发牛断裂试(a)0DA外(b)ODA区(a)0utsidetheODA(b)InsidetheODA图6鱼眼内部各部分特征(AFM照片)【”Fig6T)p嘴,印hofdi弼嘲npart0ftlle6昌h-eye(A聊讲cfure)圳样的尺寸为10mm;假设裂纹扩展到lmm时已消耗了寿命的绝大部分,裂纹的平均扩展速率约为每周次001A,已经远远小于晶体晶格的尺度。
考虑到裂纹扩展的早期,裂纹扩展速率要远小于平均速率,因此不能认为裂纹在每一个循环周期都扩展。
在这种情况下,目前认为存在两种可能的疲劳机制,其一,裂纹萌生占疲劳寿命的绝大部分;其二,裂纹缓慢且带有间歇的扩展过程是疲劳寿命的主要组成部分。
持第一种观点的王清远等协j通过疲劳裂纹萌生试验、扩展试验和断口定量分析反推出裂纹的扩展寿命,从而得出超高周疲劳中裂纹萌生寿命可达到其总寿命的95以上的结论。
Mugh琏妇协。
假定裂纹的萌生和第工阶段裂纹的极缓慢扩展过程都是寿命的主要组成部分。
当然,确定裂纹萌生和扩展在疲劳过程中的重要程度还取决于对二者的定义和分界,而目前对何时从裂纹萌生转入裂纹扩展的定义还不是很明确。
Miller等3认为对此更进一步的认识需要发展微观断裂力学(1llicmstructuref&turemechanics,MFM)和新的位错理论。
当内部裂纹达到一定尺寸,使得断裂强度因子超出疲劳裂纹门槛值之后,裂纹将在相对短的时间内扩展至整个截面而导致试样断裂。
这一阶段,裂纹扩展符合P越s公式所描述的裂纹扩展特征,这里不再赘述。
在裂纹尺寸增加使得应力强度因子达到门槛值之前,裂纹扩展的主要阶段集中在鱼眼的内部(甚至可以说是在ODA内部3),因此研究鱼眼内的裂纹扩展将有助于理解超高周疲劳的机理b1I。
在鱼眼内部,裂纹的扩展从断口观测的特征来看仍然可以分为两部分,即ODA内部的裂纹扩展和ODA外的裂纹扩展,其断面特征的比较如图6。
限于观测手段,目前对鱼眼内部裂纹起源和扩展特征,包括微观机理、扩展速率尤其是微观宏观上的控制参量等并不是十分清楚,还需要进一步的深入研究。
3相关描述模型由于对超高周疲劳中裂纹萌生和扩展特征并没有明确和统一的认识,目前尝试定量描述材料的超高周疲劳行为的模型很少。
这里介绍Mu汰锄i等协和Mu小r如i协的工作。
Murak咖i认为材料内部的缺陷,包括夹杂和空洞等均可看成是小的裂纹。
这样可以用断裂力学的理论定义一个相应的疲劳门槛值氏=33103(Hv+120)(厮)173式中K。
单位为MPam“2,HV(k西m-2)为材料的硬度,nre口(耐)为相应缺陷在最大拉应力垂直方向上的投影面积。
相应地可以导出高强钢的超高周“疲劳极限”万方数据机械强度2004年驴锷凳警半】8
(1)ow一,_一、I,ll,I、口舰J。
其中仃w单位为MPa,c=143对应表面夹杂或缺陷,C=156对应内部的夹杂或缺陷,尺为应力比,以及口=0226+HV10。
实验研究发现该模型用来预测高强钢的疲劳极限值比实验值偏高10。
仔细研究裂纹源的特征之后发现,将上文提到的“暗区”3考虑到缺陷尺寸中,将使模型与实验值符合较好。
注意到该模型最初并不是用来研究材料的超高周疲劳,而是用以研究缺陷和小裂纹行为m331。
将该模型扩展到超高周疲劳行为研究的可靠性还有待于进一步的试验工作证实。
另外,该模型只将材料的疲劳极限和缺陷尺寸联系起来,并未给出疲劳寿命与外加应力之间的关系。
王清远等73在该模型的基础上进行了修正铲锷凳警字】。
(2)Vw一厂、l埚,l,LVo陀oJ对4种低合金高强度钢,式中卢=309一O12logf(对内部夹杂或缺陷,f为疲劳寿命)或p=2790108109f(对表面夹杂或缺陷)。
这样该模型就可以用来预测超高周疲劳寿命。
以上模型的不足之处在于缺陷尺寸、_石高难以预测,虽然Mlun出aIYli掣弘3用极值统计分布给出试样中可能存在的最大缺陷尺寸。
另外,该模型没有仔细考虑其他细微观结构的影响,而是将其放人硬度Hv或卢中统一考虑,这种作法是否具有代表性还需探讨。
而且,模型显然是建立在裂纹扩展的基础之上,没有充分考虑裂纹萌生在疲劳寿命中所起的作用。
该模型在高强钢之外的其他材料中的适用性还未被仔细探讨。
Mugll瑚科圳仔细研究了从高周疲劳到超高周疲劳不可逆滑移的变化,并假设MansonCo难n关系在超高周疲劳中仍然成立掣=ef7(2f)。
式中e,为疲劳韧性系数,c为疲劳韧性指数。
d为塑性应变幅值,f为疲劳周次。
定义累积不可逆塑性应变sZk,f_2fepIp(8pI)其中p(e。
)为不可逆循环滑移35I。
由上两式得出Xr,f=4ef72。
p(P1)现假定当局部不可逆累积塑性应变达到某一临界值时材料发生破坏,可以得到描述超高周疲劳寿命的关系式eirr孵”p(p1)2渊2c删(3)其中的临界值应该和临界表面粗糙度相关,并取决于(局部)滑移面之间均方根位移的临界值m37。
从本质上说,该公式只是MansonComn关系的另一种表达,但重要的是引入了基于微结构的参量,而不仅仅局限于外加的塑性应变。
该公式的进一步应用还需要对p与试之间的关系进行仔细的研究,并确定破坏时不可逆累积塑性应变的临界值。
由于缺乏足够的实验数据,MansonComn公式在超高周疲劳阶段的适用性以及Mugll瑚妇所提理论正确与否还需进行验证。
4影响因素分析影响材料疲
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 超高 疲劳 研究 现状 展望