金屬材料疲勞短裂紋擴(kuò)展研究綜述

秦建兵

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司 西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，西安 710089)

0 引 言

近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，疲勞斷裂力學(xué)的理論也得到了進(jìn)一步發(fā)展和完善。普遍認(rèn)為，材料與結(jié)構(gòu)的疲勞失效過程包括裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂三個(gè)階段，而裂紋萌生及其早期擴(kuò)展消耗了至少90%的壽命[1]，因此對(duì)早期疲勞損傷的研究十分必要。

傳統(tǒng)的疲勞及斷裂觀點(diǎn)認(rèn)為：當(dāng)裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK<ΔKth時(shí)，裂紋就不會(huì)擴(kuò)展，但近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)：在0.5 mm裂紋長(zhǎng)度的區(qū)域內(nèi)，無(wú)論是傳統(tǒng)的疲勞概念還是使用線彈性斷裂力學(xué)的理論，都不能很好地描述這一區(qū)域裂紋的形成和擴(kuò)展規(guī)律。由于在這一區(qū)域內(nèi)的裂紋較短(一般為晶粒尺寸量級(jí))，所以稱其為短裂紋。短裂紋通常具有下列獨(dú)特的擴(kuò)展行為[2-7]：

(1) 短裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值不同于長(zhǎng)裂紋,通常比其低。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子值相同時(shí)，短裂紋擴(kuò)展更快且以較高的速率起始。

(2) 在等幅載荷作用下，短裂紋起始擴(kuò)展速率較高，隨著裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，擴(kuò)展速率下降。然后根據(jù)所加載荷的大小，或形成非擴(kuò)展裂紋，或隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，其擴(kuò)展速率上升直到長(zhǎng)裂紋范圍的獨(dú)特“V”型擴(kuò)展規(guī)律。

(3) 由于短裂紋發(fā)生在晶粒尺寸級(jí)，所以材料的微觀結(jié)構(gòu)，晶界的取向，缺口及裂尖塑性區(qū)的影響，使得材料的各向同性及均勻連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的假設(shè)等存在較大的偏差。

短裂紋的研究，不僅對(duì)裂紋起始定義的改進(jìn)、光滑試件的疲勞極限Δσe和疲勞裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值ΔKth之間的關(guān)系、解釋疲勞減縮系數(shù)Kf和應(yīng)力集中系數(shù)Kt之間的差別等起著關(guān)鍵的作用，而且對(duì)全面進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的全壽命估算、改進(jìn)材料的冶煉加工、提高材料的疲勞性能參數(shù)及進(jìn)行可靠的安全壽命設(shè)計(jì)等都有重要意義。

本文對(duì)近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于疲勞短裂紋擴(kuò)展的理論模型和影響因素進(jìn)行綜述，重點(diǎn)討論短裂紋擴(kuò)展彈性模型的不足，引入彈塑性力學(xué)參數(shù)J-積分來(lái)描述短裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)新的研究方法進(jìn)行論述，把宏觀力學(xué)的方法和微觀力學(xué)的概念結(jié)合起來(lái)分析短裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；針對(duì)短裂紋階段所特有的非擴(kuò)展裂紋，探討其形成原因，解釋缺口試件疲勞強(qiáng)度減縮系數(shù)Kf與理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt的區(qū)別；介紹試驗(yàn)件的形式、缺口塑性區(qū)、微觀結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)環(huán)境等因素對(duì)短裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響；通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中的主裂紋和次裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究，進(jìn)一步證實(shí)短裂紋獨(dú)特的“V”型擴(kuò)展規(guī)律，并通過觀察裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過程，嘗試?yán)昧鸭鈶?yīng)力場(chǎng)的變化，來(lái)解釋短裂紋的非擴(kuò)展裂紋行為。

1 短裂紋的擴(kuò)展模型及理論分析

1.1 短裂紋擴(kuò)展模型的彈性和塑性分析

短裂紋問題提出以后，由于對(duì)它的起始擴(kuò)展機(jī)制不很清楚，人們首先從長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的理論出發(fā)，使用線彈性斷裂力學(xué)的方法對(duì)短裂紋問題進(jìn)行工程修正。由于短裂紋長(zhǎng)度很短，材料的均勻連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假設(shè)失效，直接用線彈性力學(xué)參數(shù)-應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK-來(lái)描述短裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生的誤差將會(huì)很大。為使短裂紋的擴(kuò)展規(guī)律更接近長(zhǎng)裂紋，以便使其適合于工程應(yīng)用，M.H.EI.Haddad等[8]把疲勞極限和斷裂的臨界狀態(tài)結(jié)合起來(lái)提出了本質(zhì)裂紋ao的假設(shè)模型。即：在實(shí)際的裂紋長(zhǎng)度基礎(chǔ)上增加考慮一個(gè)材料長(zhǎng)度ao來(lái)作彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，并模擬短裂紋的門檻性質(zhì)。

(1)

其中：ao可由ΔKth和Δσe計(jì)算，當(dāng)a→0時(shí)，ΔS→Δσe，ΔK→ΔKth，且F=1[8-9]，則：

(2)

R.A.Smith等[10]給出了相同的結(jié)論，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展規(guī)律簡(jiǎn)單地服從等幅應(yīng)力和等幅ΔKth曲線，兩條直線的交點(diǎn)為ao。即：當(dāng)a

材料常數(shù)ao的引入是通過將疲勞和斷裂的臨界狀態(tài)結(jié)合起來(lái)，對(duì)短裂紋能在應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK<ΔKth條件下擴(kuò)展及短裂紋在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子下以較高的速率擴(kuò)展進(jìn)行了修正，使其接近長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。從式(1)可見，ΔK仍隨著裂紋長(zhǎng)度的增加而增加，因此只能得到da/dN隨ΔK單調(diào)上升的結(jié)果，它仍不能解釋短裂紋的“V”型擴(kuò)展特性。由于短裂紋所處的區(qū)域使得線彈性斷裂力學(xué)不再適用，人們開始使用彈塑性斷裂力學(xué)的方法來(lái)分析短裂紋問題。人們?cè)诒举|(zhì)裂紋模型的假設(shè)基礎(chǔ)上，使用彈塑性力學(xué)參數(shù)J-積分來(lái)描述短裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)。裂尖的應(yīng)力場(chǎng)分為彈、塑性兩部分：

(3)

(4)

則：

ΔJ= ΔJe+ΔJp=2πF2(a+a0)·

(5)

J-積分的使用使得長(zhǎng)短裂紋擴(kuò)展規(guī)律的差別得到了進(jìn)一步的修正，但它仍不能從本質(zhì)上解決短裂紋的擴(kuò)展特性。目前的研究認(rèn)為：ao并非為一材料常數(shù)，它與所加的應(yīng)力水平，構(gòu)件的形狀等參數(shù)有關(guān)[11]。即：

a0=f(Δσ,Kt,Δa,B,A)

(6)

式中：B為試件的厚度；A為常數(shù)。

K.Tanaka等[12]認(rèn)為：由于短裂紋本身與材料的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，在研究應(yīng)力門檻值附近的裂紋擴(kuò)展特征中發(fā)現(xiàn)：本質(zhì)裂紋ao與材料的晶粒尺寸及滑移帶的長(zhǎng)度也有一定的關(guān)系。裂尖的滑移帶是被晶界切斷的，裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值條件是由被晶界阻止的裂紋能否進(jìn)入相鄰晶界的晶粒內(nèi)部來(lái)確定的。K.Tanaka等用微觀和宏觀結(jié)合的辦法，對(duì)短裂紋的門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子及其擴(kuò)展特性作了進(jìn)一步的修正，得：

(7)

(8)

由式(1)和式(7)得：

(9)

ΔKcb=(4Gγ/α)1/2

(10)

式中：γ為物體的真實(shí)表面能；G為剪切模量；α=1-v。

在短裂紋范圍內(nèi)，當(dāng)ΔK=ΔKcb時(shí)，裂紋擴(kuò)展，并將形成的塑性條帶留在裂紋面的兩側(cè)。同時(shí)，塑性位移增量的影響將改變裂尖應(yīng)力場(chǎng)的分布。在裂紋擴(kuò)展的距離小于等于裂尖的塑性區(qū)尺寸時(shí)，裂尖的真實(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

ΔKee=ξ·ΔKI

(11)

式中：ξ將隨著裂紋的擴(kuò)展而單調(diào)下降，若裂紋的增量為δa，則：

(12)

式中：f*為ξ近似地取(1-2β/πa)1/2前所必須穿過的塑性區(qū)尺寸。只有0≤δa≤f*·rp時(shí)，式(12)才成立。

在短裂紋擴(kuò)展初期，裂紋幾乎不張開，此時(shí)的閉合應(yīng)力很小[17-18]，且被缺口塑性區(qū)包圍著，而隨著短裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，裂尖塑性區(qū)也變大，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使得裂紋張開，閉合應(yīng)力不再是常數(shù)，而是隨著裂紋長(zhǎng)度的增加而增加，當(dāng)其增加到某一臨界值時(shí)，閉合應(yīng)力達(dá)到最大值，然后基本上保持這一常數(shù)進(jìn)入長(zhǎng)裂紋區(qū)域[18]。除了塑性區(qū)，裂紋面粗糙度引起的裂紋閉合對(duì)裂紋擴(kuò)展門檻值影響很大，包括裂紋內(nèi)生成的氧化物碎屑[19]。W.L.Morris[17]使用2219-T851鋁材料對(duì)晶粒尺寸量級(jí)的短裂紋擴(kuò)展作了定量分析，結(jié)合裂尖張開位移CTOD與閉合應(yīng)力的關(guān)系描述了閉合應(yīng)力對(duì)短裂紋擴(kuò)展的作用。在短裂紋區(qū)域內(nèi)，裂尖處的閉合應(yīng)力是各向異性的，當(dāng)裂尖距晶界較遠(yuǎn)時(shí)，裂紋的張開位移較小，閉合應(yīng)力幾乎為零，而當(dāng)裂尖接近晶界時(shí)，裂尖的張開位移較大，閉合應(yīng)力值也較大。且：

(13)

由dugdale模型在小范圍屈服條件下，有：

(14)

(15)

(16)

使用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子參數(shù)ΔKeff=Kmax-Kop來(lái)描述短裂紋的擴(kuò)展特性發(fā)現(xiàn)：裂紋擴(kuò)展速率的理論值比實(shí)驗(yàn)值略大。崔振旗等[20]用實(shí)驗(yàn)的方法研究了殘余壓應(yīng)力對(duì)ΔKeff的影響，并對(duì)上面的公式進(jìn)行了修正，ΔKeff=(Kmax+λKr)-Kop，理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好。殘余壓應(yīng)力使得裂紋閉合力提高，最大應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，ΔKeff勢(shì)必會(huì)減少，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率降低。短裂紋在穿過殘余壓應(yīng)力影響區(qū)后，裂紋擴(kuò)展率會(huì)立刻變大，殘余壓應(yīng)力對(duì)短裂紋擴(kuò)展的影響隨著應(yīng)力比的增加而減弱[21]。長(zhǎng)短裂紋擴(kuò)展速率之間的差別也得到了進(jìn)一步的修正。

1.2 短裂紋擴(kuò)展模型的宏觀和微觀分析

短裂紋的起始與裂尖滑移帶有著密切的聯(lián)系，材料缺口處滑移帶的擠入擠出為微裂紋的形成提供了顯微缺口，微裂紋通常在這些平行的，沿最大剪應(yīng)力方向平面上形成，并沿著滑移帶的主方向擴(kuò)展[22]。當(dāng)微裂紋成核并擴(kuò)展時(shí)，隨著外力的增加，在鄰近的幾條滑移帶將產(chǎn)生交變減聚力，使得裂紋形成一種拉鏈?zhǔn)降臄U(kuò)展形式[23-24]。對(duì)于缺口試件，在應(yīng)力水平剛剛高于應(yīng)力門檻值時(shí)，缺口附近的某一晶粒內(nèi)將產(chǎn)生滑動(dòng)位移，當(dāng)裂紋沿著滑移帶成核后，核裂紋的位錯(cuò)應(yīng)變能將達(dá)到一臨界值ΔU0。K.Tanaka等[12]將此時(shí)的裂紋長(zhǎng)度定義為初始裂紋長(zhǎng)度，應(yīng)力循環(huán)數(shù)為初始?jí)勖?，且?/p>

(17)

式中：l為滑移帶長(zhǎng)度。

若滑移帶從缺口處形成，且被最近的晶界切斷，則：

(18)

式中：t為缺口深度；ρ為缺口半徑。

令單位面積內(nèi)的斷裂能為ωs，初始?jí)勖鼮镹s，則

2Ns·ΔU0=4·l·ωs

(19)

在2t>ρ，2t>l時(shí)：

(20)

由于材料的微觀結(jié)構(gòu)是各向異性的，單純的由位錯(cuò)和滑移來(lái)分析短裂紋的擴(kuò)展是比較困難的，因此有必要將宏觀力學(xué)的方法和微觀力學(xué)的概念結(jié)合起來(lái)分析短裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。當(dāng)滑移帶在一個(gè)晶粒內(nèi)形成并移動(dòng)時(shí)，就可以形成一個(gè)裂尖的塑性位移是沿一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)力軸傾斜的微裂紋。K.S.Chan等[25]提出：在晶粒內(nèi)的裂尖不產(chǎn)生屈服(與J.Weertman的結(jié)論相同)，裂尖的塑性區(qū)尺寸一般為裂紋長(zhǎng)度的一半，并且這一區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)由裂尖的應(yīng)力控制。當(dāng)裂尖前緣的塑性應(yīng)變足夠大時(shí)，裂紋向前擴(kuò)展且塑性應(yīng)變與ΔK之間服從冪指數(shù)關(guān)系：

Δεp=C·(ΔK)n

(21)

式中：C，n為常數(shù)。K.S.Chan認(rèn)為：在裂紋初始時(shí)，其張開位移為一常數(shù)，C，n的確定與此有關(guān)。

晶界對(duì)裂尖塑性應(yīng)變的影響取決于相鄰晶界的取向。裂尖的滑移帶被晶界切斷后引起的累積塑性應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(22)

式中：X為裂尖距最近晶界的距離；K(φ)為取決于相鄰晶界取向的函數(shù)。

(23)

函數(shù)K(φ)可以由含有裂紋的晶粒及其相鄰晶粒內(nèi)的剪應(yīng)力計(jì)算，設(shè)它們分別為τA和τB，若τB>τA，則：

(24)

將式(24)代入式(23)得：

(25)

裂尖的塑性累積應(yīng)變?chǔ)う舙為：

(26)

ΔN=ε*/Δεp

(27)

(28)

2 短裂紋的非擴(kuò)展裂紋

在大多數(shù)缺口試件中，短裂紋區(qū)別于長(zhǎng)裂紋的另一個(gè)重要因素就是非擴(kuò)展裂紋。在缺口處形成的短裂紋，擴(kuò)展一段后，當(dāng)應(yīng)力水平足夠小時(shí)，就停止擴(kuò)展，形成短裂紋階段所特有的非擴(kuò)展裂紋[27]。非擴(kuò)展裂紋也存在于光滑試件中。長(zhǎng)、短裂紋的非擴(kuò)展裂紋明顯不同，在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅下，只要ΔK<ΔKth，長(zhǎng)裂紋就不擴(kuò)展，而短裂紋會(huì)擴(kuò)展一段距離后再停止擴(kuò)展。非擴(kuò)展裂紋延長(zhǎng)了短裂紋的壽命，解決短裂紋的非擴(kuò)展裂紋問題對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算，解釋疲勞強(qiáng)度減縮系數(shù)Kf與Kt的差別有著重要的意義。

短裂紋的非擴(kuò)展裂紋不僅與應(yīng)力門檻值有關(guān)，而且與缺口的形狀和幾何尺寸也有較大的關(guān)系[28-29]。S.J.Jr.Hudak[27]指出：缺口試件疲勞強(qiáng)度減縮系數(shù)Kf與理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt是有一定區(qū)別的。Kf與Kt的區(qū)別有可能就是由于缺口試件的非擴(kuò)展裂紋而引起的。在試件完全破壞區(qū)域內(nèi)，存在著一個(gè)最低的應(yīng)力極限，它與Kt無(wú)關(guān)。但在非完全破壞區(qū)域內(nèi)，存在一Kf的臨界值Kf(th)，當(dāng)Kf

M.H.EI.Haddad等[8]使用本質(zhì)裂紋模型對(duì)非擴(kuò)展裂紋的門檻值分析得：

(29)

(30)

他們的結(jié)果表明：當(dāng)Kt>Kt(th)時(shí)，則ΔSth-a曲線的峰值向右移動(dòng)，當(dāng)KtΔSth時(shí)，裂紋可以起始，但由于非擴(kuò)展裂紋的存在使裂紋不能連續(xù)地?cái)U(kuò)展到破壞。他們給出了三個(gè)非擴(kuò)展裂紋的界限，首先將非擴(kuò)展裂紋的下限定義為缺口塑性區(qū)的尺寸，即：

(31)

(32)

非擴(kuò)展裂紋的絕對(duì)上限為：

(33)

且：

在缺口處產(chǎn)生非擴(kuò)展裂紋還有一些其它的影響因素，由于短裂紋能在低于長(zhǎng)裂紋定義的門檻值應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)擴(kuò)展，所以它首先擴(kuò)展一段距離，而后在與裂紋尺寸和缺口應(yīng)力有關(guān)的ΔKth值以下停止擴(kuò)展；塑性區(qū)的殘余應(yīng)力抵消了部分外載的作用，裂紋的反復(fù)張開不足以使短裂紋擴(kuò)展，但裂尖的應(yīng)力狀態(tài)由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成平面應(yīng)變狀態(tài)，屈服應(yīng)力提高，裂尖的塑性應(yīng)變減小，材料的循環(huán)硬化，晶界及晶粒的尺寸，晶粒的排列所引起的裂紋擴(kuò)展方向的改變等都是產(chǎn)生非擴(kuò)展裂紋的可能原因[31]。

3 影響短裂紋擴(kuò)展的因素

從目前的研究知道，影響短裂紋擴(kuò)展的因素很多。載荷、缺口塑性區(qū)，金屬的微觀結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)環(huán)境等都對(duì)短裂紋的擴(kuò)展有較大的影響。

應(yīng)力比R對(duì)短裂紋的初期擴(kuò)展及門檻值也有一定的影響，應(yīng)力比R的增加將造成初期擴(kuò)展速率和門檻值的下降[32]。但也有的研究認(rèn)為，應(yīng)力比R對(duì)門檻值的影響是由于裂尖塑性區(qū)的殘余壓應(yīng)力所造成的。

材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)短裂紋擴(kuò)展也有較大的影響。K.Tanaka等[12,33]研究了低碳鋼材料中短裂紋近臨界擴(kuò)展時(shí)晶粒尺寸的影響時(shí)指出：裂紋擴(kuò)展速率隨晶粒尺寸的增加而下降，而臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值卻與晶粒半徑的平方根成線性增加。在臨界區(qū)附近，大晶粒尺寸材料中裂紋擴(kuò)展速率較慢。當(dāng)短裂紋在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，材料處于各向異性狀態(tài)，晶粒邊界的取向及晶界阻力對(duì)裂紋擴(kuò)展有較大的影響。隨著裂尖距晶界越近，晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力越大[27]。在晶界與裂紋擴(kuò)展方向垂直時(shí)，其阻力最大，而當(dāng)晶界與裂紋擴(kuò)展方向平行時(shí)，晶界的阻力最小。

眾所周知，對(duì)于長(zhǎng)裂紋，由于裂紋長(zhǎng)度比塑性區(qū)尺寸大得多，缺口塑性區(qū)對(duì)裂紋擴(kuò)展影響較小，而對(duì)短裂紋，缺口的塑性區(qū)把整個(gè)短裂紋及其尖端塑性區(qū)全部包圍在內(nèi)。這樣使得短裂紋完全處于塑性狀態(tài)，裂紋在外力的作用下根本不張開或張開很小。缺口塑性區(qū)同樣對(duì)短裂紋產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，也對(duì)裂紋擴(kuò)展起到了一定的阻礙作用，也是造成短裂紋“V”型擴(kuò)展的原因之一[34]。

缺口的幾何參數(shù)的不同對(duì)短裂紋的擴(kuò)展速率影響是不同的。在同樣的材料中，缺口半徑較小時(shí)，裂紋多數(shù)呈“V”型擴(kuò)展，而缺口半徑較大時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率一般隨著裂紋的增加而增加[28]。同樣缺口半徑ρ也決定缺口塑性區(qū)尺寸的大小和應(yīng)力—應(yīng)變梯度[35-36]。

試驗(yàn)的環(huán)境不同，短裂紋的擴(kuò)展速率也有一定的差別。應(yīng)力強(qiáng)度因子相同時(shí)，溫度會(huì)促使裂紋擴(kuò)展加快。活性氣體較惰性氣體會(huì)加速裂紋擴(kuò)展，并且比空氣中有更低的門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值[37]。

4 短裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)方法

前面介紹了一些研究短裂紋擴(kuò)展特性的理論方法、模型及影響短裂紋擴(kuò)展的因素。但大家都知道，要想更好的探討短裂紋的擴(kuò)展機(jī)制及驗(yàn)證這些理論模型，精確的測(cè)量裂紋長(zhǎng)度是非常重要的。如果得不到精確的裂紋長(zhǎng)度，也就無(wú)法研究短裂紋的擴(kuò)展機(jī)制及其擴(kuò)展規(guī)律。

目前在短裂紋試驗(yàn)中所采用的檢測(cè)方法有：直流、交流電位法、顯微鏡直接讀數(shù)法、聲發(fā)射法、復(fù)型法和渦流跟蹤法等。近來(lái)的研究表明復(fù)型法和聲發(fā)射法測(cè)量的精度較高(一般可檢測(cè)到0.01 mm的裂紋長(zhǎng)度)，這兩種方法目前也常被采用。聲發(fā)射技術(shù)具有很高的靈敏度，它可以獲得單個(gè)原子的重新排列和成百萬(wàn)個(gè)原子鍵的破裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信息。在試驗(yàn)過程中，由位錯(cuò)、裂紋擴(kuò)展、馬氏體相變等產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)由傳感器接收，經(jīng)過放大、濾波，最后由記錄裝置記錄下來(lái)。但由于聲發(fā)射時(shí)信號(hào)中不僅有裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，而且也含有背景噪音，機(jī)械噪音等噪音信號(hào)。盡管可以用濾波和設(shè)置門檻電平的方法消除大部分噪音信號(hào)，但仍有一部分信號(hào)被傳感器接收與真正的信號(hào)混在一起。并且目前最困難的是聲發(fā)射信號(hào)的標(biāo)定。

復(fù)型技術(shù)一般分為一次復(fù)型和二次復(fù)型，通常都采用一次復(fù)型的方法。復(fù)型可以比較清晰地得到試件表面的真實(shí)狀況，測(cè)量精度也較高。這種技術(shù)比較容易掌握，一般在取得復(fù)型片后，使用高倍光學(xué)顯微鏡放大，拍照，然后從后向前讀數(shù)，這樣可以較容易地抓住主裂紋，但這種方法工作量大，若復(fù)型搞得不好會(huì)歪曲地反映裂紋長(zhǎng)度，有時(shí)會(huì)使裂紋與氣泡混在一起而無(wú)法讀數(shù)。采用復(fù)型技術(shù)，對(duì)試件的表面光潔度要求較高，否則對(duì)以后判斷裂紋長(zhǎng)度會(huì)有較大的影響。在復(fù)型過程中，必須停機(jī)采樣，這樣頻率的變化及試驗(yàn)件的卸載對(duì)裂紋的擴(kuò)展都有一定的影響。

顯微鏡直讀法也是一種較常采樣的方法，通?？稍谠嚰膬蓚?cè)各放一臺(tái)50～100倍的讀數(shù)顯微鏡。這種方法比較簡(jiǎn)單實(shí)用，而且能比較直觀地得到短裂紋的一些擴(kuò)展現(xiàn)象。但這種方法的誤差較大，若用高倍數(shù)顯微鏡，盡管讀數(shù)精度較高，但由于其聚焦范圍太小，不易抓住短裂紋。若用的顯微鏡倍數(shù)較小，其本身的分辨率就較低，加上肉眼讀數(shù)的誤差就會(huì)使整個(gè)讀數(shù)誤差增大。直流、交流電位法，渦流跟蹤法，由于缺口的邊緣效應(yīng)較大，因此在缺口試件中不大采用。

5 討 論

本文前面綜述性地介紹了研究短裂紋的部分理論模型與分析方法，并對(duì)影響短裂紋擴(kuò)展的一些因素做了簡(jiǎn)介。但這些理論都沒有對(duì)短裂紋擴(kuò)展機(jī)理和它的裂尖應(yīng)力場(chǎng)給予很好的解決。通過所做的一些實(shí)驗(yàn)，對(duì)短裂紋的獨(dú)特?cái)U(kuò)展規(guī)律提出下列兩點(diǎn)看法。

5.1 短裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)分析

在許多實(shí)驗(yàn)中都觀察到這樣一種現(xiàn)象，在缺口處起始的裂紋不止一條而是有多條裂紋。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，我們可以較容易的發(fā)現(xiàn)：在缺口的表面可出現(xiàn)幾條微裂紋，但經(jīng)過一定的循環(huán)后，其中一條裂紋成為主裂紋向前擴(kuò)展，而其余的裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展非常慢。在主裂紋擴(kuò)展以后，其擴(kuò)展速率逐漸下降，同時(shí)另一條與主裂紋相近的裂紋(我們稱它為次裂紋)也開始擴(kuò)展，當(dāng)它的長(zhǎng)度與主裂紋近乎相等時(shí)，主裂紋開始加速擴(kuò)展，而次裂紋成為非擴(kuò)展裂紋。從能量的角度分析看，由于外力所施加的能量是一定的，它除一部分使材料產(chǎn)生塑性變形外，其余的就成為使裂紋擴(kuò)展的斷裂能，由于多裂紋的出現(xiàn)，特別是次主裂紋，它們與主裂紋同樣分享使裂紋擴(kuò)展的斷裂能。這樣主裂紋所得到的斷裂能必然相應(yīng)減少，使其擴(kuò)展速率下降。這是否可以認(rèn)為是促使短裂紋擴(kuò)展速率下降的原因有待于進(jìn)一步研究，在許多試驗(yàn)中，同樣觀察到短裂紋出現(xiàn)非連續(xù)的跳躍擴(kuò)展現(xiàn)象[38]。一般短裂紋是從接近缺口表面的第一個(gè)晶粒開始擴(kuò)展的，經(jīng)過一定的循環(huán)后，短裂紋可以在相鄰的幾個(gè)晶粒內(nèi)部同時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)它們穿透晶界后，幾條微裂紋就可能連接到一起，突然跳躍式的形成一條相對(duì)較長(zhǎng)的短裂紋。使得短裂紋的擴(kuò)展速率突然加快。

5.2 裂尖應(yīng)力場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)顯示，短裂紋在表面形成并擴(kuò)展，順著表面晶粒的方向和晶界的位置，然后才成為穿透裂紋的。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，裂尖的塑性應(yīng)變相對(duì)較高，而且閉合效應(yīng)幾乎沒有，使得短裂紋具有在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子下有較高的初始擴(kuò)展速率。隨著裂尖應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，裂紋的塑性區(qū)增加，閉合應(yīng)力也同樣發(fā)生變化。短裂紋初始時(shí)，裂紋張開位移ΔCOD≈彈性位移，此時(shí)閉合應(yīng)力相應(yīng)較低，在裂紋明顯出現(xiàn)以后，ΔCOD下降并逐漸上升，也就使得閉合應(yīng)力逐漸增加[20]。一般認(rèn)為這可能是由于缺口塑性區(qū)的移動(dòng)而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力引起的結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過宏觀和微觀，力學(xué)和材料學(xué)的結(jié)合，對(duì)短裂紋的擴(kuò)展機(jī)制及其“V”型擴(kuò)展規(guī)律做了研究。這對(duì)進(jìn)一步完善疲勞和斷裂力學(xué)的方法，使疲勞的概念和斷裂力學(xué)的理論的有機(jī)結(jié)合有一定的促進(jìn)作用。