疲劳损伤演化理论的探讨

疲劳破坏与静力作用下的失效有本质的区别，尽管机械零部件的几何形状和受力情况千差万别，它们的载荷变化曲线也各不相同，但是在静载荷作用下的破坏过程一般都要经历弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段，对于塑性材料，一般都存在着较大的塑性变形。而疲劳破坏则存在着明显的差异，主要表现在如下几个方面^[8]：①在交变载荷作用下，机件中的交变应力幅值在远小于材料的强度极限的情况下就可能发生破坏；②不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，即表现为低应力类脆性断裂；③疲劳破坏具有高度的局部性和对各种缺陷的敏感性，即在局部高应力区和较弱晶粒处首先产生裂纹源；④疲劳破坏不是一次性破坏，它是一个累积损伤的过程，经历一段相当长的时间，实践表明这个过程包含了三个阶段：裂纹源的形成，裂纹的扩展和瞬时断裂；⑤疲劳破坏断口在宏观上和微观上均有其特征，利用目视即可发现疲劳裂纹的起源点、疲劳裂纹的扩展区和瞬时断裂区。

图6-9 常见金属材料中不同的原始和最终裂纹尺寸

研究疲劳裂纹的扩展，主要考虑四个参数：初始裂纹长度a₀，裂纹扩展应力强度因子的幅值门槛ΔK_th，裂纹扩展速率da/dN和最终裂纹长度a_f。对于金属材料，初始裂纹长度a₀和最终裂纹长度a_f的联系如图6-9所示。裂纹扩展寿命可定义为裂纹扩展速率在初始裂纹长度a₀和最终裂纹长度a_f的积分：(www.xing528.com)

式中，f（a）为裂纹扩展速率。