為什麼金屬會疲勞斷裂

05-26

為什麼金屬會疲勞斷裂

來自專欄機械液壓

很多情況下你會發現，金屬並不是在外力超出抗拉強度下斷裂的，而是在小幅交變載荷作用下，經歷很長一段時間後斷裂的，這是怎麼回事呢，其實，是因為金屬疲勞了，什麼？

金屬也會疲勞嗎 ? 答案是肯定的。舉一個簡單的例子，你有沒有過這樣的經歷，想截斷一根鐵絲，而沒有任何工具，你會怎麼做呢，對，沒錯，就是用手在鐵絲的某一個位置反覆折彎，經過多次折彎鐵絲就斷了。其實在折彎鐵絲的過程中，鐵絲局部產生了很大的應變，在固定位置，應變交替反覆，就會產生細小裂紋，今兒裂紋發展成斷裂。今天從微觀組織的角度解釋下金屬的疲勞是怎麼發生的。

先了解一下要涉及到的概念及其尺寸範圍。

位錯：指晶體材料的一種內部微觀缺陷，即原子的局部不規則排列。

晶粒：指在液態金屬冷卻凝固過程中，金屬原子形成的若干以晶核為核心按照一定的規則不斷地排列起來的晶體。

疲勞斷裂要經歷三個階段：

1.裂紋形核

裂紋在滑移帶內晶粒內形核過程是這樣的，正常的金屬晶體表面是這樣的(如圖（1）) ，在拉伸載荷作用下金屬材料內部薄弱晶粒上出現位錯運動，這種運動導致金屬表面留下痕迹，即滑移線(下圖2)。在多次的反覆載入卸載過程中，滑移線就會不斷增加，逐漸形成滑移帶，當滑移帶被循環載荷不斷的擠入和擠出晶界面時，滑移帶變成駐留滑移帶(4)，痕迹就是駐留滑移帶在金屬表面留下的，當痕迹足夠深時，就形成了初始的裂紋。

金屬表面痕迹及微觀裂縫

裂縫也可能在晶粒邊界、材料夾雜處等薄弱部位形核。

2.裂紋擴展

小裂紋在彈塑性應力場生長，在這一階段滑移特性、微觀組織尺寸、應力水平、尖端塑性範圍對裂紋影響顯著。

交變載荷的不斷作用下，持久駐留滑移帶在最大剪應力平面不斷擴展，此時，裂紋區域的變化由分散到相互連接。隨著裂紋區域逐漸擴大，微裂紋之間不斷匯聚、融合，最終形成一條主裂紋。

從局部看，裂紋沿剪應力方向生長，從宏觀上看裂紋沿垂直於拉應力方向生長。

3.裂紋斷裂

隨著裂紋的逐步擴展，當主裂紋的長度大於臨界裂紋尺寸時，裂紋擴展進入失穩斷裂階段。在這一階段中，一旦零件截面有效承載力小於循環載荷時，疲勞斷裂就會在無任何前兆的情況下發生。