疲勞裂紋一般是局部區(qū)域周期性塑性變形的結(jié)果。疲勞被定義為“在重復(fù)負(fù)載或其他類(lèi)型負(fù)載條件下的失效，并且該負(fù)載水平在僅應(yīng)用一次時(shí)不足以導(dǎo)致失效”。這種塑性變形的發(fā)生不是因?yàn)槔硐朐系睦碚搼?yīng)力，而是因?yàn)椴荒軐?shí)際檢測(cè)到元件表面。

August W?hler 是疲勞研究的先驅(qū)，他提出了一種經(jīng)驗(yàn)方法。 1852 年至 1870 年間，沃勒研究了鐵路車(chē)軸的漸進(jìn)式故障。他建造了圖 1 所示的試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)使兩個(gè)鐵路車(chē)軸能夠同時(shí)旋轉(zhuǎn)和彎曲。 W?hler 繪制了標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力與導(dǎo)致失效的循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，這就是后來(lái)的 SN 圖。每條曲線(xiàn)仍稱(chēng)為 aw?hler 線(xiàn)。 Sn 法仍然是當(dāng)今使用最廣泛的方法。該曲線(xiàn)的一個(gè)典型例子如圖 1 所示。

通過(guò) w?hler 線(xiàn)可以觀察到幾種影響。首先，我們注意到低于過(guò)渡點(diǎn)（大約 1000 個(gè)循環(huán)）的 SN 曲線(xiàn)是無(wú)效的，因?yàn)檫@里的標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力是彈塑性的。稍后我們將說(shuō)明疲勞是由塑性剪切應(yīng)變能的釋放引起的。因此，斷裂前的應(yīng)力和應(yīng)變之間沒(méi)有線(xiàn)性關(guān)系，不能使用。在過(guò)渡點(diǎn)和疲勞極限之間（大約 107 個(gè)循環(huán)），基于 Sn 的分析是有效的。在疲勞極限以上，曲線(xiàn)的斜率急劇下降，因此該區(qū)域通常被稱(chēng)為“無(wú)限壽命”區(qū)域。但這種情況并非如此。例如，鋁合金不會(huì)有無(wú)限壽命，甚至鋼在變幅載荷下也不會(huì)有無(wú)限壽命。

隨著現(xiàn)代放大技術(shù)的出現(xiàn)，人們可以更詳細(xì)地研究疲勞裂紋。我們現(xiàn)在知道，疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展可以分為兩個(gè)階段。在初始階段，裂紋以與施加載荷成約 45 度的角度（沿最大剪應(yīng)力線(xiàn)）擴(kuò)展。在穿過(guò)兩個(gè)或三個(gè)晶界后，其方向發(fā)生變化，并沿相對(duì)于施加載荷成約 90 度的方向延伸。這兩個(gè)階段稱(chēng)為Ⅰ期裂紋和Ⅱ期裂紋，如圖2所示。

如果我們?cè)诟弑堵氏掠^察 I 期裂紋，我們可以看到交變應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致沿最大剪切面形成連續(xù)滑移帶。這些滑帶來(lái)回滑動(dòng)，就像一副紙牌一樣，導(dǎo)致表面不平整。凹面最終形成“萌芽”裂紋，如圖 3 所示。在第一階段，裂紋會(huì)以這種方式擴(kuò)展，直到遇到晶界并暫時(shí)停止。當(dāng)足夠的能量施加到相鄰的晶體上時(shí)，該過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行。

穿過(guò)兩個(gè)或三個(gè)晶界后，裂紋擴(kuò)展方向現(xiàn)在進(jìn)入第二階段模式。在這個(gè)階段，裂紋擴(kuò)展的物理性質(zhì)發(fā)生了變化。裂紋本身構(gòu)成了應(yīng)力流動(dòng)的宏觀障礙，導(dǎo)致裂紋尖端的高塑性應(yīng)力集中。如圖 4 所示。需要注意的是，并不是所有的 I 期裂縫都會(huì)發(fā)展到 II 期。

為了理解第二階段的擴(kuò)展機(jī)制，我們需要考慮應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中裂紋尖端截面的情況。如圖 5 所示。當(dāng)名義應(yīng)力位于“a”點(diǎn)時(shí)，疲勞循環(huán)開(kāi)始。隨著應(yīng)力強(qiáng)度的增加并通過(guò)“B”點(diǎn)，我們注意到裂紋尖端張開(kāi)，導(dǎo)致局部塑性剪切變形，裂紋延伸到原始金屬中的“C”點(diǎn)。當(dāng)拉應(yīng)力通過(guò)“d”點(diǎn)減小時(shí)，我們觀察到裂紋尖端閉合，但永久塑性變形留下了獨(dú)特的鋸齒，即所謂的“切割線(xiàn)”。當(dāng)整個(gè)循環(huán)在“e”點(diǎn)結(jié)束時(shí)，我們觀察到裂縫現(xiàn)在增加了“Da”長(zhǎng)度并形成了額外的截面線(xiàn)。現(xiàn)在可以理解，裂紋擴(kuò)展的范圍與所施加的彈塑性裂紋尖端應(yīng)變的范圍成正比。較大的循環(huán)范圍可以形成較大的Da。

影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素

對(duì)下列參數(shù)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響進(jìn)行了研究和概念解釋?zhuān)?/p>

1剪應(yīng)力

從圖中我們可以看出，在名義應(yīng)力強(qiáng)度的周期性變化過(guò)程中，會(huì)釋放出一定“量”的剪應(yīng)力。并且應(yīng)力變化范圍越大，釋放的能量越大。通過(guò)圖1所示的SN曲線(xiàn)可以看出，疲勞壽命隨著應(yīng)力循環(huán)范圍的增加呈指數(shù)下降。

2 平均壓力

平均應(yīng)力（殘余應(yīng)力）也是影響疲勞失效率的一個(gè)因素。從概念上講，如果向 II 相裂紋施加膨脹應(yīng)力，則裂紋將被迫張開(kāi)，因此任何應(yīng)力循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生更顯著的影響。相反，如果施加平均壓應(yīng)力，裂紋將被迫閉合，任何應(yīng)力循環(huán)都需要克服預(yù)壓應(yīng)力，裂紋才能繼續(xù)擴(kuò)展。類(lèi)似的概念也適用于第一階段的裂縫。

3 表面處理

因?yàn)槠诹鸭y通常首先出現(xiàn)在有缺陷的部件表面，表面質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重影響裂紋發(fā)生的概率。盡管大多數(shù)材料測(cè)試樣品都具有鏡面光潔度，因此它們也會(huì)達(dá)到最佳的疲勞壽命。事實(shí)上，大多數(shù)部件無(wú)法與樣品進(jìn)行比較，因此我們需要修改疲勞特性。表面光潔度對(duì)承受低振幅應(yīng)力循環(huán)的部件的疲勞影響更大。

4 表面處理

表面處理可用于增強(qiáng)部件的抗疲勞性。表面處理的目的是在表面形成殘余壓應(yīng)力。在低振幅周期下，表面應(yīng)力明顯較低，甚至保持壓縮狀態(tài)。因此，可以顯著延長(zhǎng)疲勞壽命。然而，正如我們所指出的，這種情況僅適用于受到低振幅應(yīng)力循環(huán)的組件。如果應(yīng)用高振幅周期，預(yù)壓縮將被高振幅周期克服，其優(yōu)勢(shì)將喪失。與表面質(zhì)量一樣，表面處理的影響可以通過(guò)建模來(lái)顯示。