影响疲劳裂纹扩展的因素分析

影响疲劳裂纹扩展的因素很多，主要包括平均应力、应力比、过载峰、材料的组织等。

（1）平均应力（应力比）的影响。

由于压应力使裂纹闭合不会使裂纹扩展，所以研究r 对da/dN 的影响，都是在r＞0 的情况下进行的。大量试验表明，当Δ KI一定时，da/dN 随应力r的增加而增加，如图3-36 所示。从图中可知，随着应力比r（平均应力σm）的增加，曲线向左上方移动，使da/dN 升高，而且在Ⅰ、Ⅲ的影响比在Ⅱ区的大。

降低疲劳裂纹扩展速率的措施包括表面喷丸、滚压、超声冲击、表面淬火处理、渗碳和氮化等，凡是能够降低平均应力并在表面引入残余压应力的方法，均可以降低疲劳裂纹扩展速率，提高材料的疲劳抗力。

（2）过载峰的影响。

实际机件在工作时很难一直是恒定载荷，往往会有偶然过载。偶然过载进入过载损伤区内，将使材料受到损伤并降低疲劳寿命，但是如果过载适当，反而是有益的。

试验表明，在恒载裂纹疲劳扩展区内，适当的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展过载停滞现象，并延长疲劳寿命。如图3-37所示为过载峰对2024-T3 铝合金疲劳裂纹扩展的影响情况。三次过载应力峰都使裂纹扩展停滞了一段时间，随后又恢复正常扩展。

图3-36　应力比r 对疲劳裂纹扩展速率的影响

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图3-37　过载峰对2024-T3 铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响

裂纹扩展发生过载停滞的原因，可用裂纹尖端过载塑性区的残余应力影响来说明。如图3-38 所示为过载在裂纹尖端产生的塑性区。在应力循环正半周时，过载拉应力产生较大的塑性区，当这个较大的塑性区在循环负半周时，因阻止周围弹性变形恢复而产生残余压应力。

图3-38　过载在裂纹尖端形成的塑形区

这个压应力叠加于裂纹上，使裂纹提前闭合，减少裂纹尖端的ΔK，从而降低da/dN，这种影响一般称为裂纹闭合效应。当裂纹扩展使裂纹尖端走出大塑性区后，由于应力恢复正常，疲劳裂纹扩展也就恢复了正常。对 42CrMo钢亚温淬火的疲劳试验测试结果表明，一定的软相铁素体分布于马氏体基体上，因增大裂纹的闭合效应和吸收较多的能量作用，使疲劳裂纹扩展寿命明显提高。

（3）材料组织的影响。

细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。结构钢的热处理组织也影响疲劳强度。正火组织因碳化物为片状，其疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状，其疲劳强度比正火的高。

当钢的淬火组织中存在一定的残余奥氏体和贝氏体等韧性组织时，可以提高钢的ΔKth，降低裂纹扩展速率da/dN。对高强度钢等温淬火后的疲劳性能进行研究发现，钢中马氏体、贝氏体和残留奥氏体对ΔKth的贡献大致比例是M∶B∶A=1∶4∶7。可见，在高强度钢的基体上存在适量的软相奥氏体，可以抑制裂纹在Ⅰ区的扩展，从而提高裂纹门槛值ΔKth[25]。

钢的高温回火组织的韧性好，强度低，其ΔKth较高；而低温回火组织的塑韧性差，强度高，其ΔKth较低；中温回火的ΔKth则介于二者之间。