材料性能学--5.疲劳.ppt
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第五章第五章材料的疲劳(材料的疲劳(Fatigue)性能性能疲劳疲劳材料在应力或应变的反复作用下所发生材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳;虽然在一般情况下,这个的性能变化叫做疲劳;虽然在一般情况下,这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。
术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。
摘自摘自ISOISO(19641964)金属疲劳试验的一般原理金属疲劳试验的一般原理工程结构中常见疲劳部件工程结构中常见疲劳部件:
曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片、桥曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片、桥梁,等等。
梁,等等。
疲劳断裂在整个工程结构失效中约占疲劳断裂在整个工程结构失效中约占8080左左右右。
损失大(经济损失、人员伤亡)。
损失大(经济损失、人员伤亡)。
疲劳与彗星号喷气客机疲劳与彗星号喷气客机1953年年5月月2日,在彗星号飞机运行一周年之际,一架客机日,在彗星号飞机运行一周年之际,一架客机在印度加尔各答机场起飞不久后解体,失事发生在热带雷在印度加尔各答机场起飞不久后解体,失事发生在热带雷暴雨中。
暴雨中。
调查结论:
暴风雨造成的飞机承受高载荷导致断裂。
调查结论:
暴风雨造成的飞机承受高载荷导致断裂。
1954年年1月月10日,一架彗星号飞机从天气晴朗的罗马起飞日,一架彗星号飞机从天气晴朗的罗马起飞后,飞至地中海的爱尔巴岛附近高空爆炸。
后,飞至地中海的爱尔巴岛附近高空爆炸。
调查结果再一次没有认识到设计的错误。
调查结果再一次没有认识到设计的错误。
1954年年4月月8日,另一架彗星号客机在从伦敦飞往开罗的途日,另一架彗星号客机在从伦敦飞往开罗的途中,在罗马上空爆炸,飞机残骸落入海中未能找到。
中,在罗马上空爆炸,飞机残骸落入海中未能找到。
无法进行事故分析。
无法进行事故分析。
彗星号飞机整机疲劳实验彗星号飞机整机疲劳实验彗星号客机失事事故分析最终结论彗星号客机失事事故分析最终结论几架彗星号飞机突然断裂的原因是每次飞行中由于座几架彗星号飞机突然断裂的原因是每次飞行中由于座舱反复增压和减压,使机身的金属蒙皮承受了疲劳应力的舱反复增压和减压,使机身的金属蒙皮承受了疲劳应力的循环作用。
循环作用。
“德德.哈维兰公司的设计者门相信:
哈维兰公司的设计者门相信:
座舱在两倍于座舱在两倍于它的工作压力下试验不会损伤,它的工作压力下试验不会损伤,服役中不会在疲劳作用服役中不会在疲劳作用下失效下失效。
德德.哈维兰公司和英国民用航空工业用沉重的哈维兰公司和英国民用航空工业用沉重的代价证明这种见解是错误的代价证明这种见解是错误的”摘自摘自彗星号飞机事故调彗星号飞机事故调查法庭调查报告查法庭调查报告“对于喷气时代安全性的贡献,没有任何一种型号的对于喷气时代安全性的贡献,没有任何一种型号的飞机比得上彗星号,它给航空世界的教训永远留在今天正飞机比得上彗星号,它给航空世界的教训永远留在今天正在飞行的每架喷气客机中在飞行的每架喷气客机中”摘自摘自彗星号的故事彗星号的故事,D.D.Dempster,1959第一节第一节疲劳破坏的一般规律疲劳破坏的一般规律规则周期交变应力规则周期交变应力(循环应力)(循环应力)无规随机交变应力无规随机交变应力二、疲劳交变应力二、疲劳交变应力大小、甚至方向随时间变化的应力称为交变应力。
大小、甚至方向随时间变化的应力称为交变应力。
一、变动载荷和循环应力一、变动载荷和循环应力变动载荷是指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷,其在单位面积上的平均值为变动应力
(1).对称交变应力,图52a大多数旋转轴类零件
(2).脉动应力,图52b齿轮齿根循环弯曲压力图52c循环脉动压应力,轴承(3).波动应力,图52d发动机缸盖螺栓(4).不对称交变应力发动机连杆循环应力波形及参数循环应力波形及参数循环应力波形循环应力波形:
正弦波(最常见);正弦波(最常见);矩形波;矩形波;三角波。
三角波。
表示循环应力特征的参量表示循环应力特征的参量:
(1)最大循环应力)最大循环应力
(2)最小循环应力最小循环应力(3)平均应力平均应力(4)应力幅应力幅a或或应力范围应力范围:
(5)应力比应力比r:
循环应力类型循环应力类型对称循环:
对称循环:
m=0旋转轴类零件旋转轴类零件脉动循环:
脉动循环:
m0m=a0m=a0齿轮的齿根及齿轮的齿根及某些压力容器某些压力容器某些轴承某些轴承不对称循环:
不对称循环:
m0,-1r1发动机连杆发动机连杆某些支撑杆某些支撑杆波动循环:
波动循环:
ma,0r1螺栓螺栓随机循环应力随机循环应力应力的大小或方向随时间呈无规律的随机变化。
应力的大小或方向随时间呈无规律的随机变化。
二、疲劳破坏特点二、疲劳破坏特点微观上看,是一个从局部区域开始的损伤累积,微观上看,是一个从局部区域开始的损伤累积,最终引起整体破坏的过程,包括裂纹萌生和裂纹最终引起整体破坏的过程,包括裂纹萌生和裂纹稳态扩展两个阶段;稳态扩展两个阶段;断口具有明显特征:
疲劳源、疲劳裂纹扩展区、断口具有明显特征:
疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区;瞬时断裂区;宏观上看,属潜在突发性破坏,脆性,易引起事宏观上看,属潜在突发性破坏,脆性,易引起事故造成经济损失;故造成经济损失;属低应力(属低应力(-1s)延时破坏,寿命预测很重要;延时破坏,寿命预测很重要;疲劳性能对缺陷十分敏感。
疲劳性能对缺陷十分敏感。
三、疲劳形式分类三、疲劳形式分类按按应力状态分应力状态分弯曲疲劳;弯曲疲劳;拉压疲劳;拉压疲劳;扭转疲劳;扭转疲劳;接触疲劳;接触疲劳;按破坏寿命按破坏寿命N分分高周疲劳(高频疲劳、高周疲劳(高频疲劳、应力疲劳应力疲劳):
):
疲劳寿命疲劳寿命N较长,较长,N105;断裂应力水平较低,断裂应力水平较低,s;低周疲劳(低频疲劳、低周疲劳(低频疲劳、应变疲劳应变疲劳):
):
N较低,较低,N=102105;s;往往伴随有塑性应往往伴随有塑性应变发生。
变发生。
四、疲劳断口四、疲劳断口的宏观特征的宏观特征疲劳源疲劳源疲劳区疲劳区瞬断区瞬断区贝纹贝纹线线(海滩花样)(海滩花样)疲劳宏观断口特征疲劳宏观断口特征典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域:
典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域:
疲劳源、疲劳区以及瞬断区疲劳源、疲劳区以及瞬断区疲劳源:
疲劳裂纹萌生的发源地,在断口上,疲劳源一般在机件表面,常和缺口、裂纹、刀痕、腐蚀坑等缺陷相连;材料内部:
冶金缺陷,夹杂、缩孔、偏析、白点,从断口形貌看,疲劳源区的光亮度最大;疲劳区:
疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域,该区是判断疲劳断裂的重要特征:
断口比较光滑并分布有贝纹线,有时还有裂纹扩展台阶。
贝纹线是疲劳区的最大特征,贝纹线间距也不同:
近疲劳源者贝纹线较细密,表示裂纹扩展较慢,留下的痕迹较细密;远离疲劳源者贝纹线较稀疏,表示裂纹扩展较快,留下的痕迹较粗造;若机件的名义应力较高或者材料的韧性较差,则疲劳区较小,贝纹线不明显;若机件的名义应力较小或者材料的韧性较好,则疲劳区较大,贝纹线明显而且细小;贝纹线形成过程示意图贝纹线形成过程示意图瞬断区:
瞬断区:
是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域,是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域,当裂纹长到临界尺寸时,因裂纹尖端的应力强当裂纹长到临界尺寸时,因裂纹尖端的应力强度因子度因子k1达到材料断裂韧度达到材料断裂韧度K1C时,裂纹快时,裂纹快速扩展,导致机件最后瞬时断裂。
速扩展,导致机件最后瞬时断裂。
其断口比疲劳区粗糙,宏观特征同静载荷的裂其断口比疲劳区粗糙,宏观特征同静载荷的裂纹件断口一样:
脆性材料为结晶状断口,韧性纹件断口一样:
脆性材料为结晶状断口,韧性材料中间为放射状或者人字纹断口,边缘区为材料中间为放射状或者人字纹断口,边缘区为剪切唇。
剪切唇。
各种类型的疲劳断口形态示意图各种类型的疲劳断口形态示意图在在传统的机械设计中,材料的疲劳应力判据是传统的机械设计中,材料的疲劳应力判据是疲劳设计的基本理论,其中作为疲劳抗力的有:
疲劳设计的基本理论,其中作为疲劳抗力的有:
疲劳极限、过载持久值及疲劳缺口敏感度,都疲劳极限、过载持久值及疲劳缺口敏感度,都是材料的疲劳力学性能指标。
是材料的疲劳力学性能指标。
第二节第二节疲劳抗力指标疲劳宏观表征疲劳抗力指标疲劳宏观表征第二节第二节疲劳抗力指标疲劳宏观表征疲劳抗力指标疲劳宏观表征一、疲劳曲线一、疲劳曲线1、对称循环条件下的疲劳曲线(、对称循环条件下的疲劳曲线(S-N曲线)曲线)选选择择数数个个应应力力水水平平每个应力水平屈每个应力水平屈35个试样,测定该应力水平个试样,测定该应力水平下的疲劳断裂循环周次,并取平均值下的疲劳断裂循环周次,并取平均值-1疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线。
疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线。
2、疲劳曲线全图、疲劳曲线全图(LCFLowcyclefatigue)(HCFHighcyclefatigue)N104eN10在测定疲劳曲线时,先准备若干个相同试样,从0.67到0.4选择几个不同的最大循环应力,,对每个试样分别进行循环加载试验,测定它们的疲劳寿命N1,Nn,然后在直角坐标图中将这些数据绘制常见弯曲疲劳试验机常见弯曲疲劳试验机现代疲劳试验装置现代疲劳试验装置循环应力高时,疲劳寿命就短,而循环应循环应力高时,疲劳寿命就短,而循环应力低时,疲劳寿命就长。
当循环应力低到某一临力低时,疲劳寿命就长。
当循环应力低到某一临界值,曲线就变成水平线段,表明此时试样经无界值,曲线就变成水平线段,表明此时试样经无限次循环也不发生疲劳断裂;而当循环应力大于限次循环也不发生疲劳断裂;而当循环应力大于这一临界值时,试样经有限次循环即发生疲劳断这一临界值时,试样经有限次循环即发生疲劳断裂,故将该临界值作为疲劳极限。
裂,故将该临界值作为疲劳极限。
疲劳极限:
疲劳极限:
疲劳强度疲劳强度疲劳极限是材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标;条件疲劳极限是材料抵抗规定循环周次而不疲劳断裂的强度指标,二者通称为疲劳强度。
金属的疲劳曲线有二种:
一类是有水平线段的疲劳曲线,如一般结构钢和球墨铸铁;另一类是无水平线段的疲劳曲线,如有色合金、不锈钢和高强钢的疲劳曲线;二、疲劳极限二、疲劳极限疲劳强度是指在规定疲劳寿命下,材料能承受的上限循环应力。
疲劳强度是指在规定疲劳寿命下,材料能承受的上限循环应力。
二、疲劳极限二、疲劳极限1、对称循环疲劳极限、对称循环疲劳极限旋转弯曲时:
旋转弯曲时:
-1疲劳极限;疲劳极限;107108条件疲劳极限;条件疲劳极限;拉拉压压循环时:
循环时:
-1P;扭转循环时:
扭转循环时:
-1;4340钢实验疲劳曲线钢实验疲劳曲线2、疲劳极限的测定、疲劳极限的测定1)单点试验法)单点试验法试验条件试验条件:
旋转弯曲加载;应力比旋转弯曲加载;应力比r=-1;规定疲劳寿命规定疲劳寿命Nf=107次。
次。
试验步骤试验步骤:
在给定应力幅在给定应力幅a,i下,测定疲劳寿命下,测定疲劳寿命Nf,若,若Nf107,则:
则:
降低应力幅至降低应力幅至a,i+1,再次测定再次测定Nf,若,若Nf107,则:
则:
计算计算a,i=a,i-a,i+1,若,若a,i5a,i,则,则疲劳极限为:
疲劳极限为:
2)升降法)升降法试验条件试验条件:
旋转弯曲加载;应力比旋转弯曲加载;应力比r=-1;规定疲劳寿命规定疲劳寿命Nf=107次。
次。
试验步骤试验步骤:
结果处理结果处理:
m有效试验总次数(包括破坏和通过试验);有效试验总次数(包括破坏和通过试验);n试验应力水平级数;试验应力水平级数;i第第i级应力水平;级应力水平;vi第第i级应力水平的试验次数(级应力水平的试验次数(i=1,2,n)。
)。
3、疲劳极限与静强度之间的关系、疲劳极限与静强度之间的关系实验表明,材料的抗拉强度(实验表明,材料的抗拉强度(b)越高,则越高,则其疲劳极限(其疲劳极限(-1)也越高。
对中、低强度钢,也越高。
对中、低强度钢,-1与与b大体呈线性关系(一般大体呈线性关系(一般-1=0.5b)。
)。
针对不针对不同的材料有下列经验关系:
同的材料有下列经验关系:
结构钢结构钢-1=0.27(s+b)铸铁铸铁-1=0.45b铝合金铝合金-1=0.17b7.5MPa青铜青铜-1=0.21b三、疲劳裂纹扩展速率及门槛值三、疲劳裂纹扩展速率及门槛值11、疲劳裂纹扩展曲线(、疲劳裂纹扩展曲线(aN曲线)曲线)在相同裂纹长度时,随在相同裂纹长度时,随增大,则(增大,则(da/dN)也增大;也增大;在相同循环应力下,随在相同循环应力下,随a增大,则(增大,则(da/dN)也增大;也增大;2、疲劳裂纹扩展速率曲线、疲劳裂纹扩展速率曲线由断裂力学知:
由断裂力学知:
将前图各点的斜率将前图各点的斜率(da/dN)用割线法或用割线法或图解微分法求出,并利图解微分法求出,并利用上式计算出各点的用上式计算出各点的K值,则可求得值,则可求得lg(da/dN)lg(K)关系曲线。
关系曲线。
裂纹平面应变扩展裂纹平面应变扩展裂纹平面应力扩展裂纹平面应力扩展低低K区区该该区是区是初始扩展阶段,初始扩展阶段,da/dN值很小,约值很小,约10-810-6mm/周。
周。
此区中有一关键参数此区中有一关键参数Kth,其含义是当其含义是当KKth时,疲劳裂时,疲劳裂纹永远不扩展,故称为纹永远不扩展,故称为疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值,它表征了带裂纹,它表征了带裂纹体不疲劳断裂(无限寿命)的性能。
因此可建立裂纹件无限寿体不疲劳断裂(无限寿命)的性能。
因此可建立裂纹件无限寿命校核公式:
命校核公式:
利用此式可在利用此式可在Kth、a、及、及三个参量中已知两个时去求另三个参量中已知两个时去求另一个。
一个。
已知材料的已知材料的Kth及及实际裂纹尺寸实际裂纹尺寸a,则,则可求可求得该裂纹件具有无限疲劳寿命的承载能力:
得该裂纹件具有无限疲劳寿命的承载能力:
已知材料的已知材料的Kth及及工作载荷工作载荷,则可求得该则可求得该构件所能允许的最大(临界)裂纹尺寸:
构件所能允许的最大(临界)裂纹尺寸:
中中K区区该该区是区是疲劳裂纹扩展的主要阶段,占亚稳扩展绝大部分。
疲劳裂纹扩展的主要阶段,占亚稳扩展绝大部分。
该区的该区的da/dN值较值较区为大,约区为大,约10-510-2mm/周。
周。
在该区中的疲劳裂纹扩展速率由著名的在该区中的疲劳裂纹扩展速率由著名的Paris公式公式描述:
描述:
式中,式中,C、n均为材料常数,均为材料常数,n24之间。
之间。
Paris公式一般只适用于公式一般只适用于低应力低应力(-1s)、)、低扩展速率低扩展速率(da/dN10-2mm/周)的范围以及周)的范围以及较长的疲劳寿命较长的疲劳寿命(Nf104)。
)。
高高K区区该该区是区是疲劳裂纹扩展的最后阶段,其疲劳裂纹扩展的最后阶段,其da/dN值很大,并且值很大,并且随随K增大而增大,只需扩展很少周次即导致断裂,故该区所增大而增大,只需扩展很少周次即导致断裂,故该区所占扩展寿命也不长。
占扩展寿命也不长。
在该区中的在该区中的da/dN不仅取决于不仅取决于K,同时还取决于同时还取决于Kmax。
换言之,平均应力高低也会影响到换言之,平均应力高低也会影响到da/dN,故,故Forman提出了一提出了一个适合个适合、区的疲劳裂纹扩展速率公式:
区的疲劳裂纹扩展速率公式:
以上两式都未考虑以上两式都未考虑区疲劳门槛值的影响,区疲劳门槛值的影响,故故有人提出了一个综有人提出了一个综合描述合描述、区的疲劳裂纹扩展速率公式:
区的疲劳裂纹扩展速率公式:
3、剩余疲劳寿命估算、剩余疲劳寿命估算根据疲劳裂纹扩展速率公式,用积分法可估算出根据疲劳裂纹扩展速率公式,用积分法可估算出疲劳裂纹扩展寿命疲劳裂纹扩展寿命Nf或带裂纹构件的剩余疲劳寿或带裂纹构件的剩余疲劳寿命,具体步骤如下:
命,具体步骤如下:
采用无损探伤法检查裂纹,包括初始长度采用无损探伤法检查裂纹,包括初始长度a0、形状、形状、位置、取向等;位置、取向等;根据探测到的裂纹参数以确定根据探测到的裂纹参数以确定K值;值;根据材料断裂韧度根据材料断裂韧度KC以及名义工作应力以及名义工作应力,确定临界确定临界裂纹长度裂纹长度ac;选择疲劳裂纹速率扩展公式,从选择疲劳裂纹速率扩展公式,从a0积分到积分到ac,便,便得到得到剩余疲劳寿命:
剩余疲劳寿命:
四、低周疲劳寿命四、低周疲劳寿命工程上所谓的工程上所谓的“低周疲劳低周疲劳”包括下列几个特征:
包括下列几个特征:
断裂周次断裂周次105次;次;交变应力频率较低;交变应力频率较低;交变应力幅度较大(在每次应力循环中均产生塑性应交变应力幅度较大(在每次应力循环中均产生塑性应变);变);疲劳试验多在疲劳试验多在“应变控制应变控制”模式下进行(即控制模式下进行(即控制为为恒值)。
恒值)。
1、低周疲劳特点、低周疲劳特点对于应变控制循环,在对于应变控制循环,在开始的若干周次内,应力幅开始的若干周次内,应力幅是变化的,即发生循环硬化是变化的,即发生循环硬化或循环软化现象。
究竟发生或循环软化现象。
究竟发生硬化还是软化,取决于应力硬化还是软化,取决于应力循环前材料的内部组织状态。
循环前材料的内部组织状态。
一般来说,一般来说,当当b/s1.4时时,为循环硬化;,为循环硬化;当当b/s1.2时时,为循环软化。
,为循环软化。
1)循环硬化及软化)循环硬化及软化2)循环稳定滞后环)循环稳定滞后环控制总应变量:
控制总应变量:
循环应变幅循环应变幅a:
故故有:
有:
3)循环应力应变曲线)循环应力应变曲线循环硬化和软化实例循环硬化和软化实例2、低周疲劳抗力、低周疲劳抗力1)aN曲线(即曲线(即t/2N曲线)曲线)疲劳强度系数;疲劳强度系数;b疲劳强度指数;疲劳强度指数;疲劳塑性系数;疲劳塑性系数;c疲劳塑性指数;疲劳塑性指数;Coffin-Manson公式:
公式:
30种金属拟合的经验公式:
种金属拟合的经验公式:
高周高周疲劳疲劳低周疲劳低周疲劳2)pN曲线曲线不同材料的不同材料的pN曲曲线十分接近,说明低周疲劳线十分接近,说明低周疲劳寿命与材料的屈服强度基本寿命与材料的屈服强度基本上无关,而塑性应变幅才是上无关,而塑性应变幅才是决定低周疲劳寿命的主要因决定低周疲劳寿命的主要因素。
素。
Coffin-Manson公式:
公式:
式中,式中,Z材料参数,约在材料参数,约在0.50.7之间;之间;C材料参数,约等于材料拉伸真实伸长率材料参数,约等于材料拉伸真实伸长率ek。
强度和塑性对疲劳性能的影响强度和塑性对疲劳性能的影响高强度低塑性材料高强度低塑性材料在在低低循环应力下有较高的疲劳寿命;循环应力下有较高的疲劳寿命;低强度高塑性材料低强度高塑性材料在在高高循环应力下有较高的疲劳寿命。
循环应力下有较高的疲劳寿命。
第三节第三节疲劳破坏机理疲劳破坏机理一、金属材料疲劳破坏机理一、金属材料疲劳破坏机理1、循环应力作用下金属组织结构变化、循环应力作用下金属组织结构变化1)位错密度增加)位错密度增加N200循环前,位错密度很低,经循环前,位错密度很低,经10次循环后,位错密度明显上升,次循环后,位错密度明显上升,但此时位错分布还比较均匀;但此时位错分布还比较均匀;经经200次循环后,位错密度进次循环后,位错密度进一步增加,且位错分布变得不一步增加,且位错分布变得不均匀,形成均匀,形成脉络结构脉络结构;循环周次继续增加,位错密度循环周次继续增加,位错密度及分布特征基本保持不变,成及分布特征基本保持不变,成稳定状态。
稳定状态。
脉络结构脉络结构对称循环载荷的作用会产生数目近似相对称循环载荷的作用会产生数目近似相等的正、负刃型位错,在非同一晶面相等的正、负刃型位错,在非同一晶面相遇时,相互捕获形成位错偶极子;遇时,相互捕获形成位错偶极子;正、负螺型位错相遇易于通过交滑移而正、负螺型位错相遇易于通过交滑移而相互抵消;相互抵消;刃型位错相互捕获的过程会一直延续到脉络中的位错排列全部由刃型位错刃型位错相互捕获的过程会一直延续到脉络中的位错排列全部由刃型位错偶极子组成为止;偶极子组成为止;由于正、负刃型位错数目相等,故脉络中平均柏氏矢量为由于正、负刃型位错数目相等,故脉络中平均柏氏矢量为0,脉络中不产,脉络中不产生长程内应力;生长程内应力;脉络呈长条形,其长轴与初级位错的位错线平行,而与长轴的横截面是等脉络呈长条形,其长轴与初级位错的位错线平行,而与长轴的横截面是等轴的。
它们被无(少)位错通道所分隔;轴的。
它们被无(少)位错通道所分隔;脉络中的位错密度约为脉络中的位错密度约为1015m-2量级,相当的位错平均间距为量级,相当的位错平均间距为30nm,通道通道中的位错密度要低中的位错密度要低3个数量级。
个数量级。
脉络结构的脉络结构的TEM照片照片2)形成驻留滑移带)形成驻留滑移带PersistantSlipBandPSB低碳钢在低碳钢在130MPa循环循环52500次后次后表面光学显微镜照片表面光学显微镜照片低碳钢在低碳钢在100MPa循环循环12500次后次后表面表面TEM复膜照片复膜照片PSB的位错结构的位错结构PSB内含内含有大量滑移有大量滑移面,组成平面,组成平坦的夹层结坦的夹层结构,周期排构,周期排列的位错梯列的位错梯或位错墙把或位错墙把PSB夹层进夹层进一步分成一一步分成一条条通道。
条条通道。
PSB中位中位错结构与基错结构与基体中位错结体中位错结构有差异:
构有差异:
基体中,约基体中,约占占50的一的一部分含有刃部分含有刃型位错密集型位错密集阵列组成的阵列组成的脉络结构;脉络结构;而而PSB结构结构是滑移位错是滑移位错相互封锁以相互封锁以及形成相互及形成相互平行的位错平行的位错墙的产物。
墙的产物。
PSB中位错结构的立体中位错结构的立体TEM照片照片PSB中位错结构的平面中位错结构的平面TEM照片(续)照片(续)3)迷宫结构和胞状结构)迷宫结构和胞状结构随循环应变加大,次级滑移显著增加,可产生随循环应变加大,次级滑移显著增加,可产生迷宫结构迷宫结构或或胞状结构胞状结构。
2、疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹萌生在表面萌生在表面萌生自由表面在变形时不受约束,呈平面应力状态,易屈自由表面在变形时不受约束,呈平面应力状态,易屈服,造成疲劳损伤;服,造成疲劳损伤;在许多加载条件下,表面应力最大(如弯曲、扭转);在许多加载条件下,表面应力最大(如弯曲、扭转);表面缺口、台阶、沟槽等。
表面缺口、台阶、沟槽等。
表面腐蚀性介质;表面腐蚀性介质;在内部萌生在内部萌生滑移带、孪晶界、晶界(亚晶界);滑移带、孪晶界、晶界(亚晶界);内部应力集中处,如夹杂物、脆性第二相、增强体附内部应力集中处,如夹杂物、脆性第二相、增强体附近等。
近等。
1)PSB引发表面裂纹挤出挤入模型引发表面裂纹挤出挤入模型在在第第1/4周期,滑移面周期,滑移面1中的位错源中的位错源S1开动,在表面形成一个台阶;开动,在表面形成一个台阶;在在第第2/4周期,周期,S1受阻,受阻,S2开动,形成第二个台阶,并切断原先滑移面开动,形成第二个台阶,并切断原先滑移面1;在在第第3/4和和4/4周期,载荷由拉伸周期,载荷由拉伸压缩,滑移面压缩,滑移面1和和2分别先后开始反向滑分别先后开始反向滑移,结果在金属表面形成一个挤出脊和挤入沟移,结果在金属表面形成一个挤出脊和挤入沟挤入沟挤入沟挤出脊挤出脊PSB引发表面裂纹萌生的显微照片引发表面裂纹萌生的显微照片22)内部缺陷引至疲劳裂纹)内部缺陷引至疲劳裂纹(11)夹杂物与基体脱粘)夹杂物与基体脱粘位错塞积在颗粒附近导致界面脱粘位错塞积在颗粒附近导致界面脱粘(22)夹杂物碎裂)夹杂物碎裂位错塞积在颗粒附近导致颗粒碎裂位错塞积在颗粒附近导致颗粒碎裂(3)晶界开裂引发疲劳裂纹)晶界开裂引发疲劳裂纹位错塞积在晶界附位错塞积在晶界附近导致晶界开裂近导致晶界开裂3、疲劳裂纹扩展、疲劳裂纹扩展大体可分为二个阶段:
大体可分为二个阶段:
第第阶段阶段:
表面裂纹沿最大切应表面裂纹沿最大切应力方向扩展,可延伸几十力方向扩展,可延伸几十m(25个晶粒)。
个晶粒)。
第第阶段阶段:
沿垂至于拉应力方向沿垂至于拉应力方向向前扩展成主裂纹,直至
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- 材料 性能 疲劳