金属材料疲劳裂纹萌生机理与扩展规律概述

曹建建 1 孟妍 2 杜娟 3

摘 要：在飞行器结构中，如机翼与机身连接、发动机和发动机吊架连接等重要连接区的连接结构往往会因为受到严苛的循环载荷而萌生疲劳裂纹，随着疲劳裂纹逐渐扩展，最终导致结构发生断裂失效。本文根据部分文献和相关书籍，对金属材料的疲劳裂纹萌生机理和扩展规律进行了梳理，结论表明影响裂纹萌生与裂纹扩展的主要参量、裂纹扩展不同阶段的扩展方向均有不同。

关键词：循环滑移；裂纹萌生；裂纹扩展；

对于飞行器结构，疲劳裂纹是导致结构失效最主要且最危险的损伤形式之一^[1]。疲劳裂纹作为一种常见的机械损伤失效模式，约占总失效的50%~90%^[2]。在交变载荷、腐蚀环境等作用下，尽管结构的最大工作应力低于材料强度，但是经过一定的服役时间后，结构仍然会萌生疲劳裂纹并逐步扩展。出现在大梁减轻孔、机身蒙皮、机翼机身接头等关键部位的疲劳裂纹会严重削弱结构的承载能力，其失稳破坏甚至会导致灾难性事故的发生。因此研究飞行器结构的疲劳裂纹损伤萌生及扩展机理，准确地预测结构的疲劳寿命具有十分重要的工程意义。

1 疲劳裂纹的萌生和扩展规律^[3]

金属结构材料在循环载荷作用下的疲劳损伤演化过程可以分为两个阶段：宏观裂纹萌生阶段和宏观裂纹扩展阶段，两个阶段的区别在于影响疲劳行为的因素不同。在宏观裂纹萌生阶段，控制裂纹萌生的重要参量是应力集中系数K₁，而控制宏观裂纹扩展的参量则是应力强度因子K。从图1中可以看出，宏观裂纹萌生阶段可以细分为两个子阶段：一是微裂纹形核阶段；二是微裂纹扩展阶段，即微裂纹因扩展或相互作用而聚集合并，形成“主导”宏观裂纹的过程。微裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段的交点通常认为是裂纹萌生与扩展的分界线，但实际上这个临界点的精确定义是无法定量描述，一般定性地认为：当微裂纹扩展不在依赖于自由表面状况时，裂纹萌生阶段结束。

图1 疲劳损伤演化^[4]

1.1 疲劳裂纹的萌生

在很多情况下，裂纹萌生寿命占到疲劳寿命相当大的一部分，例如在高周疲劳中裂纹萌生寿命占总寿命的80%~90%，在超高周疲劳中裂纹萌生寿命可占到总寿命的99%，因此裂纹萌生阶段在整个金属材料疲劳过程中占有极为重要的地位。

宏观上而言，疲劳裂纹往往是在金属材料中的夹杂物、晶界、微观结构或成分不均匀区域以及微观或宏观应力集中部位萌生的，它是滑移带循环滑移的结果。如图2所示，在受到循环载荷的作用后，产生的循环滑移会使金属在表面形成滑移台阶、部分材料侵入和挤出，造成表面粗糙不平，进而导致疲劳裂纹在滑移带处形核，进而微裂纹萌生。如图3所示为金属铜的疲劳滑移带随着循环加载周次的增加而逐步演变的过程，可以看出疲劳滑移带的数目和密度随着循环周次的增大而增多，而且材料表面产生越来越明显的沟-峰特征。图4为金属表面驻留滑移带处萌生微裂纹的情况。

图2 单调加载和疲劳加载情况下的滑移

（a）循环周次N=5×10³ （b）N=1×10⁴ （c）N=1×10⁵

图3 金属铜疲劳滑移带的演变过程

图4 滑移带处微裂纹的萌生

1.2 疲劳裂纹的扩展

疲劳裂纹扩展一般分为两个阶段，如图5所示，第一阶段是滑移带微裂纹沿主滑移方向以纯剪切的方式进行扩展，由于滑移带优先在切应力最大的滑移面上形成，它往往会导致微裂纹的形核，所以微裂纹一般与主应力方向的夹角约为45°，表现为具有“之”子形特点的扩展路径，如图6所示。在这一阶段裂纹扩展速度很慢，当裂纹扩展至金属材料的晶界处可能会发生减速或完全停止扩展的现象。许多一开始萌生的微裂纹会立即停止扩展，而往往只有那些滑移非常有利的裂纹能够继续扩展下去。当这些裂纹的尺寸扩展至2~3个晶粒尺寸范围时，裂纹尖端的应力强度因子范围∆K已经变得足够大，导致其他滑移带的滑移也被激活开动，之后裂纹扩展将开始沿着两个滑移带同时交替的进行，其扩展的方向垂直于主应力方向，如图7所示，表明裂纹扩展由第一阶段开始转入第二阶段，此时的裂纹也通常被认为是宏观裂纹。第一阶段和第二阶段的转变点可以看作宏观裂纹萌生的临界点。

第一阶段的裂纹扩展，在断口上一般并不留下任何痕迹，在第二阶段裂纹扩展则常常留下“条带”的显微特征，这种微观条带一般称为疲劳条纹，它是由完全不可逆的循环滑移产生的，是在一次加载中新形成的裂纹尖端上下表面所留下的微观塑性变形的脊。图8所示为疲劳裂纹扩展过程中疲劳条纹与循环加载历史之间的对应关系，图中10次小循环载荷加载对应着较小的条纹间距，而1次大循环加载对应着更宽、更深的条纹，因此可以根据循环次数和疲劳条纹之间的对应关系，对疲劳破坏断口进行定量反推，确定疲劳裂纹的扩展方向及其扩展速率。

图5 疲劳裂纹的扩展^[5]

图6 第一阶段疲劳裂纹扩展

图7 第二阶段疲劳裂纹的扩展

图8 疲劳条纹与加载循环的对应关系

2 结论

金属疲劳损伤演化过程主要分为两个阶段：疲劳裂纹的萌生阶段和扩展阶段：

①疲劳裂纹的萌生：由于循环载荷的作用，金属会产生滑移带，造成表面的粗糙不平，进而导致疲劳裂纹在滑移带处形核，微裂纹萌生。影响微裂纹萌生的主要参量为应力集中系数K₁。

②疲劳裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的极大部分：对于高周疲劳，裂纹萌生寿命占总寿命80%~90%，对于超高周疲劳，裂纹萌生寿命占总寿命99%。

③疲劳裂纹的扩展：疲劳裂纹的扩展分为微裂纹扩展阶段和宏观裂纹扩展阶段。微裂纹沿着最大切应力方向（与主应力方向夹角约45°）进行扩展，宏观裂纹沿着垂直主应力方向进行扩展，影响裂纹扩展的主要参量为应力强度因子K。

④在结构断口处，存在疲劳条纹，可以根据循环加载次数和疲劳条纹之间的对应关系，对疲劳破坏断口进行定量反推，确定疲劳裂纹的扩展方向及其扩展速率。

参考文献

1. Compare M, Bellani L, Zio E. Reliability model of a component equipped with PHM capabilities[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2017, 168: 4-11.

2. Campbell G S, Lahey R. A survey of serious aircraft accidents involving fatigue fracture[J]. Elsevier, 1984, 6(1): 5-7.

3. 钟群鹏. 裂纹学[M]. 高等教育出版社, 2014.

4. Schijve, Jaap. Fatigue of Structures and Materials[M]. Springer Netherlands, 2009.

5. Suresh, Subra. Fatigue of materials / 2nd ed[M]. Cambridge University Press, 1998.