航空材料疲劳裂纹形成与断裂过程

疲劳裂纹的形成、扩展和断裂过程比较复杂，受很多因素影响，但是其发展过程大致可分为以下四个阶段。

（1）疲劳裂纹形核阶段 对于一个无裂纹或无明显缺陷的光滑试样，在交变应力作用下，虽然外加应力不超过材料的屈服极限，但由于材料组织结构的不均匀性，在试样的表面局部区域仍然能产生不可逆的塑性滑移。经过多次反复的循环滑移，将在金属表面产生挤出和挤入的滑移带，并进而导致造成微裂纹形核。

（2）微观裂纹扩展阶段 一旦微观裂纹形核，它就会沿着滑移面扩展，该滑移面是与主应力轴成45°的切应力作用面（如图14-2中第Ⅰ阶段所示）。此阶段的扩展深度很浅，只扩展至表面以里大约十几微米，且不是单一的裂纹，而是会有众多沿滑移带发展的微裂纹。此阶段称为疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。

（3）宏观裂纹扩展阶段 在此扩展阶段，裂纹扩展方向与拉应力垂直，且为单一裂纹扩展（如图14-2中第Ⅱ阶段所示）。一般认为在裂纹长度0.1mm≤a≤a_c范围内的扩展为宏观裂纹扩展阶段，又称为疲劳裂纹扩展的第Ⅱ阶段。裂纹在此阶段的扩展过程是裂纹顶端区域金属在切应力作用下发生反复塑性变形的过程。

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图14-2 疲劳裂纹扩展过程

（4）断裂阶段 当裂纹扩展至临界尺寸a_c时，产生失稳扩展而很快断裂。

以上是无初始宏观裂纹的光滑试样的典型疲劳裂纹扩展至断裂的过程。对于有初始宏观裂纹的结构，主要是宏观裂纹扩展阶段。目前，关于宏观裂纹最小尺寸的规定很不统一，各阶段的划分也不一致。工程上从应用方便出发，一般规定宏观裂纹的最小尺寸a=0.1～0.2mm（也有规定长为0.2～0.5mm、深为0.15mm的表面裂纹），在此裂纹长度之前的扩展为疲劳裂纹形成阶段，对应的应力循环次数称为裂纹形成寿命，以N₀表示；在其之后的扩展为疲劳裂纹扩展阶段，所对应的循环次数为裂纹扩展寿命，以N_p表示。