疲劳裂纹扩展的微观特征与航空材料力学性能检测

疲劳裂纹的扩展是一个不连续过程，一般分为两个阶段（见图14-2）。第Ⅰ阶段是从微裂纹源开始，沿最大切应力方向（与主应力方向成45°）的晶面向前扩展；第Ⅱ阶段是裂纹沿垂直于最大拉应力方向扩展，直到失稳断裂的过程。以下分别介绍这两个扩展阶段的微观特征。

1.疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段微观特征

在第Ⅰ扩展阶段内裂纹扩展速率很低，每个循环的扩展量约为0.1μm数量级，扩展深度为2～5个晶粒直径。此阶段在疲劳总寿命中所占比例随应力幅值σ_a的高低而异。σ_a越高，其所占比例越小；反之，则所占比例越大。

延性金属材料在第Ⅰ阶段的扩展，可以认为是在裂纹顶端区域的滑移带内发生急剧局部变形的过程。在此过程中，材料通过剪切脱粘形成了新的裂纹面。裂纹和裂纹顶端塑性变形区仅局限在几个晶粒直径范围内，裂纹主要沿滑移系方向以纯剪切方式扩展；扩展过程为纯滑移机制；裂纹扩展路径呈“Z”字形。在此阶段，由于扩展量很小，因此微观断口上无显著特征，无疲劳条带。宏观断口呈锯齿形或解理小平面，无明显宏微观塑性变形。在某些情况下，甚至可能分不出疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。

在此扩展阶段，在交变应力作用下，滑移沿某些特定滑移面反复滑移，不断地积累塑性变形并导致滑移面断裂，从而产生新表面，裂纹也向前扩展，其扩展模型如图14-5所示。这个阶段的裂纹扩展模型有两种。一种为塑性钝化模型，如图14-5a所示，该模型适用于产生波纹状滑移的材料。另一种为位移模型，如图14-5b所示，该模型适用于产生平面状滑移的材料。这两种模型都以塑性变形为基础，但这里不对其细节进行介绍。

图14-5 疲劳裂纹扩展第Ⅰ阶段的两种模型

2.疲劳裂纹扩展的第Ⅱ阶段微观特征

在第Ⅱ扩展阶段内，应力强度因子幅较高，裂纹顶端塑性区跨越多个晶粒，裂纹沿两个滑移系统同时或交替进行扩展。扩展过程以双滑移机制为主导。此阶段裂纹扩展方向与最大拉应力垂直，裂纹且为穿晶进行，同时其扩展速率较也明显高于第Ⅰ阶段。(www.xing528.com)

第Ⅱ阶段疲劳裂纹扩展过程如图14-6所示。图14-6中左侧的曲线表示交变应力的变化，右侧则为对应的在该扩展阶段裂纹的断面图。图14-6a表示交变应力为零时，裂纹呈闭合状态。图14-6b表示受拉应力时，裂纹张开，裂纹尖端处由于存在应力集中而沿45°方向发生滑移。图14-6c表示拉应力达到最大值时，滑移区扩大，裂纹尖端变为半圆形，并发生钝化，裂纹停止扩展（这种由于塑性变形使裂纹尖端应力得到松弛并降低应力集中减小，从而使得滑移停止、裂纹停止扩展的过程称为“塑性钝化”现象）。图14-6中两个同向箭头表示滑移方向，且该两箭头间距变大，表示滑移区扩大。图14-6d表示交变应力为压应力时，滑移沿相反方向进行，原裂纹和新裂纹的裂纹表面被迫近，裂纹尖端被弯折成一对耳状切口。这一耳状切口又为下一次循环裂纹沿45°方向滑移准备了应力集中条件。图14-6e表示压应力达到最大值时裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝变锐，形成一对尖角。可见，应力每循环一周，裂纹形状就完成一次由锐化→钝化→锐化的过程，相应地，在断口上便留下一条痕迹（该痕迹称为“疲劳条带”，在结构件断口上通常能够看到），裂纹也随之向前扩展一个条带的距离。如此反复进行，不断形成新的条带，裂纹也不断向前扩展。

疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征，根据断口上的疲劳条纹间距，可以研究疲劳裂纹扩展速率与各物理量间的变化规律，分析断裂故障件的受力状况。在电子显微镜或扫描电镜下观察到的疲劳条带如图14-7所示，它是交变应力每循环一次裂纹扩展留下的痕迹。一般情况下，计算疲劳条带的数目不一定能确定出应力循环次数，因为应力循环一次，未必就能产生一条疲劳条带。另外，需注意区分疲劳断口上的贝纹线与疲劳条带之间的差别。贝纹线是交变应力幅值变化等原因在断口上留下的裂纹前沿痕迹，是疲劳断口的宏观特征，相邻贝纹线之间往往会有成千上万条疲劳条带。

图14-6 疲劳裂纹第Ⅱ阶段的扩展机制示意图

需要说明的是，并非所有工程材料在疲劳裂纹的第Ⅱ阶段扩展过程中都形成疲劳条带。在纯金属和许多延性合金中可清晰见到疲劳条带，许多工程聚合物的断口也呈现明显的疲劳条带。然而钢中很少出现疲劳条带，在冷加工合金中也难以见到疲劳条带。应力强度因子幅ΔK、应力状态、环境条件以及合金成分对形成疲劳条带的可能性有强烈影响。此外，除了疲劳条带，在高ΔK条件下可以看到“静态断裂模式”中微孔洞聚集和晶间破坏等现象，在低ΔK条件下可以看到解理小平面或裂纹的晶体学扩展。

图14-7 典型的金属疲劳条带