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弹簧疲劳裂纹扩展的第二阶段

弹簧疲劳裂纹扩展的第二阶段
  弹簧疲劳裂纹扩展的第二阶段机理
  
  第二阶段弹簧疲劳裂纹防护断裂是疲劳特性最突出的部分。在一般的疲劳断裂中,它占据了裂纹扩展的大部分区域,其显著特征是弹簧疲劳辉光。因此,弹簧第二阶段疲劳裂纹扩展机理主要与弹簧疲劳条纹的形成机理有关。现在介绍了几种型号。
  
  1、塑性钝化模型这是在研究纯铝和纯镍高应变裂纹扩展截面后提出的模型。示意图如图6-63所示。
  
  空载时的裂纹形状如(a)所示。在加载段的拉应力作用下,裂纹张开,裂纹前端的两个小切口将滑移集中在距裂纹平面45度以上的滑移区。滑移带相互垂直,如(b)所示。当拉应力达到(c)等最大值时,裂纹的应力集中效应因变形而消失,裂纹前缘滑移带变宽,裂纹前缘钙化,呈半圆形。使裂纹向前扩展。卸荷后进入辛旋回,沿滑动带向相反方向滑动,
  
  图(d)中,裂纹前缘相互挤压,在加载半周内形成的新表面被压向裂纹面,其中一部分被折叠形成新的切口(图e),从而产生新的弹簧疲劳裂纹。其间距为c。在此循环中,裂纹继续向前扩展,形成弹簧疲劳辉光。
  
  根据这一模型,裂纹是不断向前扩展的,本质上是非晶态的,另一方面,它不需要一定的晶体学平面在多晶体中生长。裂纹尖端存在晶界和夹杂,其对称性很难满足要求。同时,由于结晶度关系,那些可能滑移的滑移系统的角度与裂纹尖端不对称。此时,它会根据理想的扩展机制与上面略有不同,过程如图6-64所示。
  
  首先,在压缩载荷作用下,裂纹往往形成不对称的二次裂纹,如(a)所示。当拉应力作用时,裂纹前缘的变形主要集中在裂纹前缘。在最大拉应力下,形成(b)所示形状。最后,在压缩载荷下,弹簧疲劳裂纹前沿的形状如图(c)所示,与图6相似
  
  31,(3)和(4)实际观测到的弹簧疲劳辉光线(山脉和山谷彼此不对应)是一致的。总之,该模型的基本观点是裂纹前缘的塑性净化和应力松弛。
  
  2、结晶韧性弹簧疲劳条纹的形成机理。在详细研究了一些韧性弹簧疲劳条纹的模型后,有人提出了韧性弹簧疲劳条纹的形成机理,如图6-65所示。
  
  最简单的是图中的1-10级。在加载段,裂纹沿两个滑移系i111t的滑动面扩展,同时使裂纹前端吞噬。滑移可以沿着两个滑移系同时进行,每个滑移面移动一个原子距离,也可以在一个滑移系上连续滑移,直到某一加工硬化过程发生,然后进入另一个滑移系,两个滑移系间歇性滑移。由于新的滑动面用于裂纹扩展,两个滑动系统将交替激活。
  
  在卸载阶段,滑移将反向进行,这将使裂纹尖端锐化,并为下一个扩展循环做好准备。如果反向滑动正好发生在裂纹前面的滑动面上,则图中的阶段(6)将恢复为阶段(1)。但由于加载段新产生的自由面(裂纹面)已被氧化,不可能沿裂纹前的原晶面向后滑动。相反,它会沿着许多新的平行晶面滑动。如果每个原子层的滑移量等于布氏损失值,则反向滑移过程中新生成的表面必须是光滑的晶体学平面(第12阶段)。不过,这种情况比较少见。更可能的是,几个布氏矢量在几个特定的滑动面上滑动。因此,新产生的裂纹表面上会有许多台阶,如第(13)(14)阶段所示。
  
  对于高强度铝合金,两个不平行滑动面(111)之间的交角可以是109?28',或7032',如果滑动沿两(111)个表面,交角为109?28,则裂纹扩展显示在阶段1-12。如果沿滑动面以70度角滑动32',裂纹扩展见第16阶段。
  
  模型表明,各循环的裂纹扩展都发生在加载段。在卸载阶段,新产生的裂纹表面滑动形成弹簧疲劳辉光图案,并且攻击图案的前端再次变得尖锐,并且也为下半个循环做好了准备。
  
  到目前为止,我们已经描述了假设两(111)个平面
  
  裂纹扩展的影响是相等的,因此裂纹沿着两个滑移面夹角的平分线扩展。如果两个滑移系统为裂纹扩展提供的滑移量不相等,裂纹将从两个滑移面的平分线向外扩展,如阶段(15)所示。
  
  根据上述模型,(i)弹簧疲劳裂纹两侧的弹簧疲劳裂纹应对应峰谷。(一) 当加载裂纹张开时,滑移非常均匀,当卸载段的裂纹闭合时,滑移将更加不规则,因此,在弹簧疲劳条纹的正面(即闭合时形成的齿面)应能看到相对较大的滑移台阶,而背面较小,位错分布较复杂。(Ii)在对称滑移的情况下,裂纹扩展的宏观平面平行于(100)或(110)平面,弹簧疲劳辉光的两侧为(111)平面。如果裂纹闭合,每个原子层的滑移量等于布氏矢量,则弹簧疲劳条纹的正面成为(100)或(110)平面(12级和16级)。(四)由于非对称滑移,裂纹扩展偏离平分面时,弹簧疲劳裂纹两侧的弹簧疲劳条纹不同,即在最大剪应力一侧,弹簧疲劳条纹深度较深。宽度比大于另一侧(阶段15)。以上四点已被一些实验观测所证实。
  
  由于材料的不同,疲劳烧痕的微观形貌可能有很大的差异。因此,对其形成机制的解释远未完全解决。许多人从不同的角度提出了新的模型。
  
  3、脆性弹簧疲劳辉光线的形成机理脆性解理弹簧疲劳裂纹线的形成不如韧性弹簧疲劳裂纹线的形成复杂。其基本过程是,在疲劳载荷作用下,先沿解理面短距离地埋藏断裂,然后在裂纹前端因塑性变形而停止扩展。当下一个循环开始时,解理再次断裂,如此反复,解理弹簧疲劳火花就形成了。图666是解理弹簧疲劳裂纹形成机理的示意图。
  
  假设裂纹的初始形状为(a),当载荷增加时,裂纹前缘将因解理断裂向前扩展一段距离,如(b)。然后进行塑料钝化并停止解理。由于解理和断裂材料充分硬化,变形集中在裂纹前缘的非常狭窄的滑移区,如(c)中的两条折线所示。当裂纹在载荷作用下完全拉伸时,前端形状为(d):然后进入卸载或压缩载荷阶段,裂纹闭合,前端再次变尖,形成类似(a)(e)的形状。因此,作为解理弹簧疲劳辉光形成机制的最基本的思想也与塑性钝化过程有关。
  
  非晶态脆性弹簧疲劳条纹的形成机制,只要将上述疲劳弹簧释放机制中的解理断裂改为准解理断裂,就可以应用。

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