什么是“材料疲劳”？这篇讲得很清楚！

品质人生质量开讲 · 公众号 · · 2025-05-22 09:34

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图4

为理解阶段二的扩展机制，我们需要考虑在应力周期过程中裂纹尖端横截面发生的状况。如图5所示。当名义应力处于“a”点时疲劳周期开始。随着应力强度增大并穿过“b”点，我们注意到裂纹尖端张开，导致局部塑性剪切变形，同时裂纹延伸到原金属中的“c”点。当拉伸应力经过“d”点下降，我们观察到裂纹尖端闭合，但永久塑性变形留下了一个独特的锯齿形，即所谓的“切面纹”。当整个周期在“e”点结束时，我们观察到裂纹现在已经增加了“Da”长度，并构成额外的切面纹。现在可以理解裂纹扩展的范围与施加的弹塑性裂纹尖端应变范围成比例。更大的周期范围能形成更大的Da。

图5 阶段二裂纹扩展示意图

影响疲劳裂纹扩展速率的因素

从概念上研究并解释下列参数对疲劳裂纹扩展速率的影响：

应力或应变范围；
平均应力；
表面光洁度和质量；
表面处理；
顺序效应应力或应变范围。

通过前面的介绍我们注意到在阶段一和阶段二的扩展过程中，裂纹在微观尺度都是塑性剪切应变引起的。因此，把沿阶段一滑动面或在阶段二裂纹尖端形成的塑性剪切应变考虑作为名义应力随时间推移产生的结果，如图6所示。在图6a中，我们观察到名义应力随时间增大。在微观层面，由于裂纹或原本存在缺陷的原因，应力和应变呈塑性，并可被绘制成所示的应力—应变关系图；图6b所示的是名义应力先降低然后小幅增大时发生的状况。此时仍可绘制出局部应力与应变的关系图，显示了局部断裂的影响；图c是另一种名义应力降低的情况。从应力与应变关系图我们看到有滞后回线形成，应力与应变关系图中的回线显示了总的释放能量与回线的面积相等时所释放的应变能量。本质上释放的是一定数量的剪切应变能，在滑动面滑动或阶段二裂纹扩展时消耗了该能量。

因此，从图示中我们可以看到在名义应力的强度周期变化的过程中，一定“数量”的剪切应变能量得到释放。而且应力变化的范围越大，释放的能量也越大。通过图1所示的SN曲线，我们看到随着应力周期范围的增大，疲劳寿命呈指数下降。