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解析鋼材材料_材料的S-N曲線及疲勞裂紋萌生機制

近十多年來，鋼材市場也是發(fā)生了很多的改變，很多的合金（如鈦合金、鎳基合金、低碳鋼、彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼以及球墨鑄鐵）在超高周疲勞壽命區(qū)不存在傳統(tǒng)的疲勞極限，對于大多教材料的疲勞裂紋，在低周疲勞和部分高周疲勞壽命區(qū)，發(fā)生在材料的表面，而在部分高周和超高周疲勞壽命區(qū)，發(fā)生在材料內(nèi)部存在的夾雜、空洞、大的結(jié)晶顆粒等缺陷處。由于表面和內(nèi)部破壞機制明顯不同，導(dǎo)致材料的s-N曲線出現(xiàn)階梯下降型，連續(xù)下降型等現(xiàn)象。持這樣觀點的認(rèn)為L，疲勞裂紋表面萌生和內(nèi)部萌生機制分別有各自的S-N曲線。稱為般S-N曲線效應(yīng)。如“階梯下降型” S-N曲線(圖6.1．l),在高應(yīng)力幅階段，疲勞裂紋表面萌生的概率大于內(nèi)部萌生，試樣以表面開裝為主：當(dāng)應(yīng)力幅下降副疲勞裂紋表面萌生的門檻值以下時，表面不再萌生裂紋，此時出現(xiàn)一段水平平臺，當(dāng)疲勞循環(huán)達到內(nèi)部萌生裂紋所需的周次時，（25SiMnMoA耐熱鋼型合金結(jié)構(gòu)鋼、20SiMn2MoV,低碳馬氏體型合金結(jié)構(gòu)鋼、40CrMnMo調(diào)質(zhì)型合金結(jié)構(gòu)鋼40CrMnM0）疲勞裂紋便萌生，然后不斷擴展直至最后斷裂。從圖中可以看出，表面裂紋萌生和內(nèi)郁裂紋萌生的S-N曲線呈明顯的分離狀態(tài)，且內(nèi)部裂紋萌生型的S-N曲線即使到了IO挾應(yīng)力循環(huán)，也沒有山現(xiàn)疲勞板眼。
目前，大多散文獻顯示的疲勞裂紋內(nèi)部萌，七的試樣斷口都具有魚眼狀特征。且裂紋源為較大的非金屬夾雜物。似乎材料內(nèi)部存在的夾雜物只有在超高周循環(huán)條件下才能萌生裂蚊，因為在超長的循環(huán)用次后，夾雜物在外載荷的作用下與基體脫粘，形成空洞，對此筆者提出疑問：為什么試樣內(nèi)部的夾雜物在高應(yīng)力幅下不優(yōu)先形成裂紋，而要等到低應(yīng)力幅的足夠循環(huán)周次后才萌生裂紋，對CrMo銅(SCM435)進行了105-108循環(huán)周次的拉壓疲勞試驗，結(jié)果表明所有試樣的裂紋譚均在內(nèi)部的興雜物處，顯然合金結(jié)構(gòu)用鋼的“疲勞裂紋在高應(yīng)力幅，低周次下由表面萌生，低應(yīng)力幅、高周次下在內(nèi)部必雜物處萌生”的這種觀點是不夠正確的。實際上，材料內(nèi)部只要有足夠尺寸的夾雜物，不論在高應(yīng)力輻還是低應(yīng)力幅都可能成為裂紋的萌生場所，形成疲勞裂紋源。問題是材抖內(nèi)部并非所有的夾雜物都會萌生裂紋，如果這樣，疲勞新口上應(yīng)該看到不止一個魚眼狀裂紋源。說明夾雜物內(nèi)部萌生裂紋必然有—個臨界尺寸，在低于夾雜物臨界尺寸下，低合金結(jié)構(gòu)用鋼的疲勞裂紋就不會在夾雜物處萌生，不同的鋼種夾雜物的臨界尺寸也不同，大約在3-10um之間，所用的是經(jīng)過電渣重熔的材辯，內(nèi)部夾雜物報少，在疲勞斷口上幾乎看不到明顯的夾雜物，所以在低應(yīng)力幅、高周循環(huán)下不可能產(chǎn)生內(nèi)部夾雜物萌生的疲勞裂紋?？梢哉J(rèn)為并不是所有的具有長壽命試佯的疲勞裂紋都是從試樣內(nèi)部萌生的，當(dāng)試樣內(nèi)部沒有明顯夾雜物、空洞等缺陷時，高周循環(huán)下，疲勞裂紋也會從表面處萌生。用超聲疲勞試驗機對高強度鋼進行了超高周疲勞研究，結(jié)果表明在10-7 -lO10循環(huán)周次之聞發(fā)生斷裂的試樣。20%的疲勞裂紋從試樣表面萌生，80%起源于試樣內(nèi)部缺陷。對疲勞裂紋表面萌生的原因進行說明。
當(dāng)時國內(nèi)外借助超聲疲勞試驗機對材料進行超高周疲勞性能的研究主要針對的是某種材料的某一種狀態(tài)，值得注意的是，同一種鋼，不同的微觀結(jié)構(gòu)具有兩種類型的S-N曲線，并且不論是在高應(yīng)力幅。還是在低應(yīng)力幅，疲勞裂紋均發(fā)生在試樣表面上一點處或次表面某處材料的缺陷處。彈簧鋼、軸承鋼存在的缺陷問題也包括組織類型成分及其缺陷。
在低的應(yīng)力幅下，材料的形變主要是彈性變形，那么表面的疲勞裂紋是如何萌生的盡管顯示了超高周疲勞裂紋能在表面萌生這一事實，但相關(guān)機理性的研究報導(dǎo)報少。超高周疲勞機理時，把材料分為兩大類：類型為單相延性材料。不含興雜物。類型為含有非金屬夾雜物的高強度。其研究結(jié)果認(rèn)為對于類型。在超商周疲勞階段疲勞裂紋從表面萌生，原因是在超高周疲勞階段，盡管載荷低于PSB極限，但是一定的表面粗糙度達到一個臨界值時引起的局部應(yīng)力集中會使得應(yīng)力超過PSB飯限，最后在PSB中形成裂紋：而類型2，在超高周階段疲勞裂紋主要是次表面或內(nèi)部夾雜物處形核。但目前，在載荷低于PSB誣限的超高周疲勞階段，由表面粗糙引起的PSB及形成裂紋還沒有得到直接的證明，認(rèn)為表面萌生裂紋是由于局部不可逆積累塑性應(yīng)變的結(jié)果。
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