·784· 北京科技大学学报 第36卷 瞬时断裂区 裂纹扩展区 疲劳裂纹源区 200m 图7疲劳断口形貌 Fig.7 Morphology of the fatigue fracture 劳的辉纹间距通常随着应力强度因子幅度的增大而 增大.在理想情况下，每一条辉纹代表一次载荷循 环，辉纹个数等于载荷循环次数，只有材料有较好塑 性时，才会出现疲劳辉纹. 0四 p中4”型：边 图8疲劳裂纹源 Fig.8 Fatigue crack initiation 3.2疲劳裂纹扩展机理 通常疲劳裂纹扩展分为两个阶段：第一阶段裂 纹扩展和第二阶段裂纹扩展.第一阶段，疲劳裂纹 图9疲劳扩展区的疲劳辉纹 在滑移带上萌生以后，受切应力控制，沿着与主应力 Fig.9 Fatigue striations in the extension region 呈45°的最大剪应力面进行扩展，断口呈锯齿形或 图10为疲劳扩展第二阶段出现的典型宏观断 解理小平面，第一阶段裂纹扩展通常在几个晶粒范 口形貌.断口出现一系列相互平行的疲劳贝纹线， 围内难于观察。由于第一阶段裂纹的扩展速率远小 类似于海滩状的花纹，垂直于裂纹的扩展方向，并且 于第二阶段，因而第一阶段对高强钢疲劳寿命贡献 随着裂纹扩展的进行，条带宽度逐渐增加，由15μm 很大. 增加到50μm以上，随着裂纹的扩展，承载面积减 一般而言，疲劳断裂起始于表面微裂纹处时，直 小，载荷逐渐增大，裂纹扩展速度也逐渐增大. 接进入第二阶段裂纹扩展，下面将重点对裂纹扩展 本实验为薄板试样（厚度2mm),加载过程相较 第二阶段的不同位置的断口进行观察.第二阶段在 于圆棒试样，承载面积较小，对设备的敏感性更强， 最大拉应力面内，沿与拉伸垂直的方向扩展.图9 设备轻微的抖动引起载荷变化都会使裂纹前缘区域 为疲劳扩展区第二阶段的微观形貌.从图中可以看 出现应力状态变化，改变扩展速率，进而在断口上留 出断口中出现较多相互平行的疲劳辉纹，条带间距 下一条痕迹，贝纹线是构件在应力幅突然变化的情 约l.7m,局部地区存在台阶.Laird提出的“范性 况下才有可能产生的，因而断口中存在大量海滩状 钝化”模型发现裂纹尖端在扩展中呈现反复的钝化 的均匀分布疲劳贝纹线.同时，由于实验频率较高 与锐化的交替过程，在循环加载过程中，裂纹尖端受 (10Hz),因而会产生较高的过载频率，使贝纹线大 到较大的塑性变形而产生局部滑移，使裂纹尖端出 量密集出现 现钝化.在卸载中尖端两侧表面逐渐靠拢，使裂纹 在滑移带上部分区域会萌生一定尺寸的微裂 向前延伸一段距离，在全部卸载后，裂纹端部在拉伸 纹，在绝大多数情况下，裂纹停止扩展，只有少数几 加载中产生新的表面被褶皱起来，这时端部又出现 条超过几十微米.图11为疲劳裂纹扩展后期的二 锐化网.在每一个锐化一纯化的过程中，裂纹前端 次裂纹.二次裂纹是循环载荷作用下组织局部撕裂 不断向前延伸，并在断口上留下一条疲劳辉纹.疲 造成的，消耗了较多的能量，使裂纹扩展更加困难，北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 7 疲劳断口形貌 Fig． 7 Morphology of the fatigue fracture 图 8 疲劳裂纹源 Fig． 8 Fatigue crack initiation 3. 2 疲劳裂纹扩展机理 通常疲劳裂纹扩展分为两个阶段: 第一阶段裂 纹扩展和第二阶段裂纹扩展． 第一阶段，疲劳裂纹 在滑移带上萌生以后，受切应力控制，沿着与主应力 呈 45°的最大剪应力面进行扩展，断口呈锯齿形或 解理小平面，第一阶段裂纹扩展通常在几个晶粒范 围内难于观察． 由于第一阶段裂纹的扩展速率远小 于第二阶段，因而第一阶段对高强钢疲劳寿命贡献 很大． 一般而言，疲劳断裂起始于表面微裂纹处时，直 接进入第二阶段裂纹扩展，下面将重点对裂纹扩展 第二阶段的不同位置的断口进行观察． 第二阶段在 最大拉应力面内，沿与拉伸垂直的方向扩展． 图 9 为疲劳扩展区第二阶段的微观形貌． 从图中可以看 出断口中出现较多相互平行的疲劳辉纹，条带间距 约 1. 7 μm，局部地区存在台阶． Laird 提出的“范性 钝化”模型发现裂纹尖端在扩展中呈现反复的钝化 与锐化的交替过程，在循环加载过程中，裂纹尖端受 到较大的塑性变形而产生局部滑移，使裂纹尖端出 现钝化． 在卸载中尖端两侧表面逐渐靠拢，使裂纹 向前延伸一段距离，在全部卸载后，裂纹端部在拉伸 加载中产生新的表面被褶皱起来，这时端部又出现 锐化［18］． 在每一个锐化--钝化的过程中，裂纹前端 不断向前延伸，并在断口上留下一条疲劳辉纹． 疲 劳的辉纹间距通常随着应力强度因子幅度的增大而 增大． 在理想情况下，每一条辉纹代表一次载荷循 环，辉纹个数等于载荷循环次数，只有材料有较好塑 性时，才会出现疲劳辉纹． 图 9 疲劳扩展区的疲劳辉纹 Fig． 9 Fatigue striations in the extension region 图 10 为疲劳扩展第二阶段出现的典型宏观断 口形貌． 断口出现一系列相互平行的疲劳贝纹线， 类似于海滩状的花纹，垂直于裂纹的扩展方向，并且 随着裂纹扩展的进行，条带宽度逐渐增加，由 15 μm 增加到 50 μm 以上，随着裂纹的扩展，承载面积减 小，载荷逐渐增大，裂纹扩展速度也逐渐增大． 本实验为薄板试样( 厚度 2 mm) ，加载过程相较 于圆棒试样，承载面积较小，对设备的敏感性更强， 设备轻微的抖动引起载荷变化都会使裂纹前缘区域 出现应力状态变化，改变扩展速率，进而在断口上留 下一条痕迹，贝纹线是构件在应力幅突然变化的情 况下才有可能产生的，因而断口中存在大量海滩状 的均匀分布疲劳贝纹线． 同时，由于实验频率较高 ( 105 Hz) ，因而会产生较高的过载频率，使贝纹线大 量密集出现． 在滑移带上部分区域会萌生一定尺寸的微裂 纹，在绝大多数情况下，裂纹停止扩展，只有少数几 条超过几十微米． 图 11 为疲劳裂纹扩展后期的二 次裂纹． 二次裂纹是循环载荷作用下组织局部撕裂 造成的，消耗了较多的能量，使裂纹扩展更加困难， ·784·