【正文】 疲勞裂紋的萌生 大。 純壓縮負(fù)荷不會出現(xiàn)疲勞斷裂，疲勞起源點往往出現(xiàn)在最大拉應(yīng)力處。 高周疲勞斷裂應(yīng)力水平，一般 σf＜ σs，也稱低應(yīng)力疲勞；而低周疲勞斷裂應(yīng)力水平較高，一般 σf≥ σ s ，往往有塑性應(yīng)變發(fā)生，也稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。 構(gòu)件疲勞斷裂是在負(fù)荷經(jīng)多次循環(huán)以后才發(fā)生的，高周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù) Nf＞ 104，而低周疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)較少，一般 Nf＝ 102~104。 (1)疲勞斷裂的現(xiàn)象及特征 ①疲勞負(fù)荷是交變負(fù)荷。 疲勞斷裂 金屬構(gòu)件在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平 低于金屬材料的抗拉強度，有時甚至低于屈服極限 ，但經(jīng)過一定的循環(huán)周期后，金屬構(gòu)件會發(fā)生突然的斷裂，這種斷裂稱為疲勞斷裂。 ④ 盡量 減少由焊接產(chǎn)生的缺陷 。應(yīng)該從斷裂力學(xué)的觀點來選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性 時，則構(gòu)件中允許有較大的缺陷存在。選擇韌性更高、脆性轉(zhuǎn)變溫度更低的材料。 (4)預(yù)防脆性斷裂的途徑 ① 溫度 是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一， 設(shè)計者必須考慮構(gòu)件的最低工作溫度應(yīng)高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度 。 e．工作介質(zhì) 金屬構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)中，受應(yīng)力 (尤其拉應(yīng)力 )作用，同時又有電化學(xué)腐蝕時，極易導(dǎo)致早期脆性斷裂。鋼件的缺口脆性增加；關(guān)于板厚的脆化原因一般認(rèn)為與 冶金質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)溫度在材料脆件轉(zhuǎn)變溫度以下時，材料的解理應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，材料的斷裂由原來的正常韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。 b．溫度 低溫下造成構(gòu)件的脆性斷裂是由于溫度的改變而引起材料本身的性能變化。 在實際金屬構(gòu)件中，常見由于 應(yīng)力分布不均勻而造成三向應(yīng)力狀態(tài) ，如構(gòu)件的截面突然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應(yīng)力集中而引起應(yīng)力不均勻分布，周圍區(qū)域為了保持變形協(xié)調(diào)，便對高應(yīng)力區(qū)以約束，即造成三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。 最大切應(yīng)力促進(jìn)塑性滑移的發(fā)展 ，是位錯移動的推動力，它對形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過程都產(chǎn)生影響； 而最大拉伸應(yīng)力則只促進(jìn)脆性裂紋的擴展 。 (3)脆性斷裂的影響因素 a．應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng) 應(yīng)力狀態(tài)是指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。 舌狀花樣 當(dāng)材料的脆性大、溫度低，臨界變形困難，晶體變形以形變孿晶方式進(jìn)行。 b．?dāng)嗫诘奈⒂^形貌 河流花樣 實際上是斷裂面上的微小解理臺階在圖像上的表現(xiàn)，河流條紋就是相當(dāng)于各個解理 平面的交割。 實例 ，美國順納德球形儲氫壓力容器 (直徑 )爆炸成為 20個碎片，斷口呈人字條紋，脆性斷裂總長達(dá) 198m。 人字條紋或山形條紋從細(xì)變租的方向為裂紋擴展的方向；相反的方向，指向裂紋起源點。隨著裂紋的發(fā)展，人字條紋或山形條紋變粗。 (2)脆性斷裂的斷口形貌 a．?dāng)嗫诘暮戡F(xiàn)形貌 小刻面 脆性解理斷裂的斷口是平滑明亮結(jié)晶狀的。 ⑤ 脆性斷裂一般 沿低指數(shù)晶面 穿晶解理， 解理是金屬在正應(yīng)力的作用下沿解理面發(fā)生的一種低能斷裂 。 ③ 脆性斷裂是從金屬構(gòu)件內(nèi)部存在的 裂紋作為裂紋源 而開始的。 ② 中、低強度鋼的脆性斷裂一般是在 比較低的溫度下發(fā)生的 ，因此人們也把脆性斷裂叫做 “低溫脆性斷裂”。 ⑤ 定期測厚，尤其有腐蝕、高溫氧化等引起壁厚減薄的工況。 ③ 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，嚴(yán)禁超載、超溫、超速等。 預(yù)防的措施如下： ① 設(shè)計時充分考慮構(gòu)件的承載能力，在可能的情況下設(shè)計變形限位裝置或者增加變形保護(hù)系統(tǒng)等，盡可能使塑性變形不要發(fā)展為斷裂。 形成起伏彎曲的條紋形貌，一般稱為“蛇行花樣” 。 當(dāng)材料含有較多的第二相質(zhì)點或夾雜物時，則在形成韌窩過程中，第二相質(zhì)點或夾雜物往往存在于韌窩底部，形成的韌窩數(shù)量較多，而且較小。 韌窩尺寸與夾雜物的大小直接相關(guān)，而正當(dāng)夾雜物呈圓顆粒時，韌窩呈等軸狀，當(dāng)夾雜物呈條狀時，韌窩也呈長條形。 等軸韌窩與拉長韌窩的電子斷口形貌 ② 韌窩的大小和深淺 ， 決定于材料斷裂時微孔的核心數(shù)量和材料本身的相對塑性 ，如果微孔的核心數(shù)量很多或材料的相對塑性較低，則韌窩的尺寸較小或較淺；反之，韌窩的尺寸較大或較深。撕裂韌窩與剪切韌窩在形貌上沒有什么不同，大多是長形、拋物線狀。此時兩個匹配面上的韌窩朝著 相同的方向 ，這種韌窩稱為撕裂韌窩。剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的 剪切唇區(qū) 。拉伸試樣斷口的杯形底部和錐形頂部就是由等軸韌窩組成的。 根據(jù)受力狀態(tài)的不同，通?？梢猿霈F(xiàn)三種不同形態(tài)的韌窩。 (2)韌性斷裂斷口微觀形貌 韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀，在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點。根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步 評價材料的性能 。 角，此區(qū)稱為 剪切唇區(qū) 。當(dāng)裂紋快速擴展到試樣表面附近時，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)?平面應(yīng)力狀態(tài) ，從而剩余的外圍部分剪切斷裂。 纖維區(qū) 是材料內(nèi)部處在 平面應(yīng)變?nèi)驊?yīng)力 作用下啟裂，在試樣中心形成很多小裂紋及裂紋緩慢擴展而形成的。 角，又稱 斜斷裂 ，這種斷裂出現(xiàn)在滑移形變不受約束或 約束較小 的情況，如 平面應(yīng)力 條件下的斷裂。隨著塑性變形的不斷增加，承載截面積減小，至材料承受的載荷超過了強度極限σb時，裂紋擴展達(dá)到臨界長度，發(fā)生韌性斷裂。 1)韌性斷裂特征 韌性斷裂是一個 緩慢的斷裂過程 ，塑性變形與裂紋成長同時進(jìn)行。 裂紋沿著出于各種原因而引起的結(jié)合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴展而形成的斷裂。 c. 疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下以疲勞輝紋為標(biāo)志的斷裂。 (5)按微觀斷裂機制分類 在正應(yīng)力 (拉力 )作用下，裂紋沿特定的結(jié)晶學(xué)平面擴展而導(dǎo)致的穿晶脆斷，但有時也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。 (4)按負(fù)荷的性質(zhì)及應(yīng)力產(chǎn)生的原因分類 材料在交變負(fù)荷下發(fā)生的斷裂 材料在環(huán)境作用下引起的低應(yīng)力斷裂。 c 混晶斷裂 在多晶體金屬材料的斷裂過程中，多數(shù)是其裂紋的擴展既有穿晶型、也有晶間型的混晶斷裂。 b 穿晶斷裂 裂紋的萌生和擴展穿過晶粒內(nèi)部的斷裂。 表 31不同類型負(fù)荷下的斷裂形式 表 31不同類型負(fù)荷下的斷裂形式 (3)按斷裂過程中裂紋擴展所經(jīng)的途徑分類 裂紋沿晶界擴展至斷裂。 交角。 當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的 切應(yīng)力分量超過材料在滑移面上的切斷抗力時發(fā)生的斷裂。 (2)按造成斷裂的應(yīng)力類型及斷面的宏觀取向與應(yīng)力的相對位置分類 當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的 正應(yīng)力分量超過材料的正斷抗力時發(fā)生的斷裂 。 斷裂前的變形量很小，沒有明顯的可以覺察出來的宏觀變形量。 ⑤ 斷口表面的微觀形貌用顯微鏡觀察的圖像緣像形來表示 (韌窩、解理小平面、輝紋、自然現(xiàn)象景觀等 )。 ③ 最終斷裂前的應(yīng)變狀態(tài)用脆性、韌性來說明；宏觀斷裂方向用平直面 (平面應(yīng)變狀態(tài) )和剪切面 (平面應(yīng)力狀態(tài) )來說明。用拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、接觸作為加載方向。通過斷口分析可以判斷斷裂的類型、斷裂過程的機理，從而找出斷裂的原因和預(yù)防斷裂的措施。金屬構(gòu)件可能在材料制造、構(gòu)件成形或使用階段的不同條件下啟裂、萌生裂紋；并受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴展直至斷裂。 斷裂失效 斷裂是金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下材料分離為互不相連的兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象。對緊固性構(gòu)件的實際使用也可以在構(gòu)件使用過程中對其進(jìn)行一次或多次再緊固，即在構(gòu)件應(yīng)力松弛到一定程度時重新緊固，這是經(jīng)濟(jì)而又有效的方法。 構(gòu)件 在高溫長期使用中都會出現(xiàn)應(yīng)力松弛的問題， 當(dāng)殘余應(yīng)力降低至影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能時，則產(chǎn)生應(yīng)力松弛失效或松弛變形失效。 松弛穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)： 材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，用殘余應(yīng)力 σ殘 來衡量。而且往往經(jīng)很長時間仍然看不到松弛的下限應(yīng)力。 典型例子： 圖 35過熱管蠕變變形及脹裂 (2)應(yīng)力松弛變形失效 金屬的蠕變是在應(yīng)力不變的條件下，構(gòu)件不斷產(chǎn)生塑性變形的過程； 而金屬的松弛則是在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形從而使應(yīng)力不斷降低的過程。材料的蠕變極限及持久強度高，則抗高溫蠕變性能好。 蠕變極限 是高溫長期載荷下材料抵抗塑性變形的抗力指標(biāo)，用給定溫度下材料產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的 應(yīng)力值 或材料產(chǎn)生一定蠕變變形量的應(yīng)力值來表示。 高溫下不僅有蠕變變形引起的構(gòu)件外部尺寸的變化，還有金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)特有的變化，導(dǎo)致高溫力學(xué)性能下降、構(gòu)件承載能力 降、蠕變速度加快、失效加快。h)。 (1)蠕變變形失效 金屬材料在長時間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。 高溫作用下金屬構(gòu)件的變形失效 金屬構(gòu)件在高溫長時間作用下， 即使其應(yīng)力恒小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形 ，當(dāng)該變形量超過規(guī)定的要求時，會導(dǎo)致構(gòu)件的塑性變形失效。 ④ 嚴(yán)禁構(gòu)件運行超載。 ② 準(zhǔn)確地確定構(gòu)件的工作載荷 ，正確進(jìn)行應(yīng)力計算，合理選取安全系數(shù)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平。 過載不僅是對構(gòu)件承受的外載荷估計不足，還應(yīng)該包括偏載引起局部應(yīng)力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算誤差及應(yīng)力集中、加工及熱處理產(chǎn)生殘余應(yīng)力、材料微觀不均勻的附加應(yīng)力等因素，使構(gòu)件受力不均，局部區(qū)域的總應(yīng)力超值。 其變形失效判斷以影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能為依據(jù) 。如在材料加工中，隨塑性交形量增加，即產(chǎn)生了 加工硬化 ，原因是位錯密度增加、位錯纏結(jié)、位錯運動相互作用及運動阻力增加，其宏觀表現(xiàn)就是應(yīng)變硬化。 c．慢速變形 金屬的彈性變形是以聲速傳播的，但塑性變形的傳播是很慢的。 b．變形量不恒定 金屬是多晶體，各個晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，從面使 各晶粒變形有不同時性及不均勻性 。 (2)金屬塑性變形的特點 a．不可逆性 金屬材料的塑性交形是不可恢復(fù)的，當(dāng)材料應(yīng)力等于或高于屈服極限后產(chǎn)生的變形，在卸裁后，其變形仍然保留在材料內(nèi)。伸長率和斷而收縮率越高，則塑性越好。這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形 。 ③采用減少變形影響的連接件 ，如皮帶傳動、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。 ② 確定適當(dāng)?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件 。 (5)彈性變形失效的原因及防護(hù)措施 過載、超溫或材料變質(zhì)是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效的原因 。 ⑤ 由于彈性變形是晶格的變形，可用 x射線法測量金屬在受載時的晶格常數(shù)的變化驗證是否符合要求。 ③ 在設(shè)計時是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應(yīng)的措施。 ② 注意觀察在正常工作時，構(gòu)件互相不接觸，而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。 (3)過量的彈性變形失效 構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過構(gòu)件匹配所允許的數(shù)值，稱為過量的彈性變形失效。 c 變形量很小 金屬的彈性變形主要發(fā)生在彈性階段，但在塑性階段也伴隨著發(fā)生定量的彈性交形。 (2)金屬彈性變形的特點 a．可逆性 金屬材料的彈性變形具有可逆的性質(zhì)，即加載時產(chǎn)生，卸載后恢復(fù)到原狀的性質(zhì)。 金屬構(gòu)件的彈性變形失效 σ＝ Eε (1)彈性變形 在彈性狀態(tài)下 ，固體材料吸收了加裁的能量 ， 依靠原子間距的變化而產(chǎn)生變形 ，但因未超過原子之間的結(jié)合力 ， 當(dāng)卸裁時 ，全部能量釋放 ， 變形完全消失 ， 恢復(fù)材料的原樣 。 = (217) 將式 (215)按級數(shù)展開，并當(dāng) δ 較小時，近似地只取第一項，得 3 金屬構(gòu)件常見失效形式及其判斷 變形失效 在常溫或溫度不很高的情況下的變形失效主要有 彈性變形失效和塑性變形失效 ，彈性變形失效主要是變形過量或喪失原設(shè)計的彈性功能 ， 塑性變形失效一般是變形過量。 因為 KI=σ πa ，所以 (216) 材料的臨界 COD值 δc， 按 GB 2358在實驗室中用小試樣即可測出。其中 窄條形塑性區(qū) 簡化模型的解析解應(yīng)用較廣。因此 δc稱為 啟裂斷裂韌度 。 有 COD判據(jù)為 δ≥ δc （ 214） （ 2）彈塑性斷裂力學(xué)簡介 大量的實驗研究證明，對于一種材料來說，裂紋開始擴展時，尖端的張開位移δc是材料常數(shù) ，與試祥的幾何尺寸、加載方式等無關(guān)，是材料對裂紋擴展阻力的量度，是材料彈塑性斷裂韌性的指標(biāo)，與溫度有關(guān)。實驗與分析結(jié)果都證實，裂紋體受力后，裂紋尖端附近存在高應(yīng)力 (σs)的塑性區(qū)使得裂紋面分離，裂紋尖端有張開的位移 (見圖 232)。該板屬于平面應(yīng)力狀態(tài)。因