疲劳裂纹萌生的原因和机理

材料在循环载荷作用下，疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成。一般来说，疲劳裂纹的萌生大都形成于零件的表面，所以要注意零件的表面质量，表面越光洁平整，零件的疲劳强度越高。疲劳裂纹在表面萌生，可能有4 个位置：

（1）对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，裂纹多萌生在表面滑移带处，即所谓驻留滑移带的地方。

对于承受循环载荷作用的金属材料，由于晶粒取向不同，以及存在各种宏观或微观缺陷等原因，每个晶粒的强度在相同的受力方向上是各不相同的；当整体金属还处于弹性状态时，个别薄弱晶粒已进入塑性应变状态，这些首先屈服的晶粒可以看成是应力集中区。一般认为，具有与最大切应力面相一致的滑移面的晶粒首先开始屈服，出现滑移。随着循环加载的不断进行，滑移线的数量增多成为滑移带。与静载荷时均匀滑移带相比，循环滑移不均匀，总是集中分布于某些局部薄弱区域。用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永久存留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。随着加载循环周次的增加，循环滑移带不断加宽，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。

电镜观察表明，驻留滑移带的位错结构是由一些刃位错组成的位错墙，位错墙的位错密度很高，而位错墙之间的地带，位错密度很低，那里可自由变形，变形几乎都聚集在这些地区，这样循环变形的不断重复，在表面形成了许多峰与谷，叫作挤出带和侵入沟，如图3-15 所示。挤出带和侵入沟处会产生非常大的应力集中，从而成为疲劳裂纹的策源地。

关于挤出和侵入的形成过程可以用柯垂尔（A H Cottrell）和赫尔（D Hull）提出的交叉模型来解释，如图3-16 所示。在拉伸应力的半周期内，先在取向最有利的滑移面上的位错源S1被激活，当它增殖的位错滑移到表面时，便在表面P 留下一个滑移台阶，如图3-16（a）所示。在一个半周期内，随着拉伸应力的增大，在另一个滑移面上的位错源S2也被激活，当它增殖的位错滑移到表面时，在表面Q 处留下一个滑移台阶；与此同时，后一个滑移面上位错运动使第一个滑移面错开，造成位错源S1与滑移台阶P 不再处于同一个平面内，如图3-16（b）所示。在压应力的半周期内，位错源S1又被激活，位错向反方向滑动，在晶体表面留下一个反向滑移台阶P′，于是P 处形成一个侵入沟；与此同时，也造成位错源S2与滑移台阶Q 不再处于一个平面内，如图3-16（c）所示。同一半周期内，随着压力的增加，位错源S2又被激活，位错沿相反方向运动，滑出表面后留下一个反向的滑移台阶Q′，于是在此处形成一个挤出脊，如图3-16（d）所示；与此同时，又将位错源S1带回原位置，与滑移台阶P 处于一个平面内。当两个滑移系交替动作时，在一个循环周次之后，便可分别形成一个挤出带和一个侵入沟。随着循环周次增加，挤出带更凸起，侵入沟更凹进。通常认为其中的浸入沟将发展成为疲劳裂纹的核心。

图3-15　滑移带形成挤出带和侵入沟示意图

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图3-16　柯垂尔和赫尔的挤出和侵入模型

（2）当经受较高的应力/应变幅时，裂纹萌生在晶界处，特别是在高温下更为常见。多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内部运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象，在应力不断循环，晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生裂纹。凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度。

（3）对一般的工业合金，裂纹多萌生在夹杂物或第二相与基体的界面上。

在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的，因此提出了第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理。只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抵制或延缓裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。

（4）材料内部的缺陷处产生。

材料内部的缺陷如气孔、夹杂、分层、各向异性、相变或晶粒不均匀等，都会因局部的应力集中而引发裂纹。

在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他连接形式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如焊缝的焊趾处），而且这些部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高。例如焊趾处往往存在有微小非金属夹渣物，而疲劳裂纹也正是起源于这些缺陷处。对接焊缝和角焊缝的根部，也能观察到夹渣、未焊透、熔合不良等焊接缺陷。因为有这些缺陷和接头应力集中以及残余应力的存在，致使焊接接头的疲劳寿命一般小于母材的疲劳寿命。