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金屬疲勞裂紋擴(kuò)展至斷裂機(jī)理
疲勞裂紋擴(kuò)展可以分為三個階段：第I階段（裂紋萌生，shot cracks），第II階段（裂紋擴(kuò)展，long cracks），第III階段（瞬時斷裂，final fracture）
第I階段：一旦裂紋萌生以后，就會沿著最大剪切應(yīng)力平面(約45o)擴(kuò)展。這一階段被認(rèn)為是第I階段或者短裂紋萌生和擴(kuò)展階段。裂紋一直擴(kuò)展直到遇到障礙物，如晶界、夾雜物或珠光體區(qū)。它無法容納初始裂紋的擴(kuò)展方向。因此，晶粒細(xì)化是可以提升材料疲勞強(qiáng)度的利用了引入大量微觀障礙物的原理。晶界，在裂紋擴(kuò)展的第I階段需要克服晶粒的阻礙并越過晶界。表面機(jī)械處理，例如噴丸和表面滾壓也會引入一些微觀的障礙物，因為它們使晶界被壓扁了。
第II階段：由于裂紋擴(kuò)展，實際載荷的上升，應(yīng)力強(qiáng)度因子K不斷增加，在裂紋頂端附近的不同平面上開始發(fā)生滑移，于是就進(jìn)入了第II階段。相比之下第I階段裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向成45度角，進(jìn)入第II階段，裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向垂直，成90度角，如圖1所示。第II階段一個非常重要的特征就是斷口表面出現(xiàn)波紋，專業(yè)術(shù)語稱為疲勞輝紋(Striations)，它需要在掃描電鏡的幫助下才能看清楚。并不是所有工程材料在發(fā)生疲勞時，進(jìn)入第II階段都會產(chǎn)生疲勞輝紋。疲勞輝紋在純金屬和一些韌性較好的合金中出現(xiàn)，例如鑄態(tài)的鋁合金。在鋼鐵里面，常常在冷作硬化的鋼中發(fā)現(xiàn)這種特征。
第III階段：最終，當(dāng)裂紋頂端應(yīng)力強(qiáng)度因子超過了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，那么裂紋失穩(wěn)，發(fā)生快速擴(kuò)展。在這一階段，裂紋的擴(kuò)展由失效的靜態(tài)模式控制，對微觀組織結(jié)構(gòu)、載荷比以及應(yīng)力狀態(tài)（平面應(yīng)力加載或平面應(yīng)變加載）非常敏感。
宏觀上看，疲勞斷口可以分為兩個主要區(qū)域。第一個區(qū)域與疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展相對應(yīng)并且呈現(xiàn)出平滑的一面，因為對偶斷裂面會發(fā)生相互摩擦。有時候，在斷口表面上能看到“海灘標(biāo)記"，它是載荷變化的結(jié)果，或因為臨時停止加載，或因為過載在裂紋頂端引入了壓縮殘余應(yīng)力。
最終斷裂：斷口上其它的部分就對應(yīng)著最終斷裂區(qū)，呈現(xiàn)出纖維狀和不規(guī)則特征。在這個區(qū)域里，斷口既可以是延性的，也可以是脆性的。它取決于材料的力學(xué)性能，構(gòu)件的幾何尺寸或加載條件。
每一個區(qū)域的準(zhǔn)確比例取決于實際載荷水平。載荷越高，穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域比例越小。在另一方面，如果加載的載荷較小，那裂紋擴(kuò)展較長距離以后才能超過臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，達(dá)到材料的斷裂韌度值，導(dǎo)致瞬時斷裂區(qū)較小。
棘輪花樣：棘輪花樣是在疲勞斷口表面可以觀察到的另外一種宏觀特征。這些特征通常出現(xiàn)在多源開裂的情形中，裂紋萌生于不同的位置時，當(dāng)它們相互匯合時，就會在斷口上出現(xiàn)臺階。因此，棘輪花樣的數(shù)量是裂紋起始點數(shù)量的一個很好的指標(biāo)。
擴(kuò)展速率：相似于起始階段，很多因素會影響長疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。其中，最應(yīng)該關(guān)注的就是載荷比和殘余應(yīng)力的影響。增加載荷比從趨勢上會增加長裂紋擴(kuò)展速率，通常增加載荷比對Paris體系的影響比臨近門檻值和近失效區(qū)的影響小。接近門檻值應(yīng)力強(qiáng)度因子，比例R可歸因于裂紋閉合效應(yīng)。
對于大多數(shù)材料，Paris體系被認(rèn)為“無閉合和不依賴于最大應(yīng)力強(qiáng)度因子"。并且裂紋擴(kuò)展速率通常與不同R比率條件下的測試相似。接近最終失效，當(dāng)Kmax接近KIC時，R比率的影響與高的單調(diào)斷裂分量有關(guān)。