1.4.2疲劳

疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳三个阶段。了解疲劳各阶段的物理意义，对于认识疲劳本质，分析疲劳原因，采用强韧化对策等都很有意义。

大量研究表明，宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的。关于疲劳裂纹萌生期，大都认为疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的。疲劳微裂纹可以由表面滑移带开裂产生。随着加载循环次数的增加，循环滑移带会不断地加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带处形成微裂纹。裂纹也可以由于相界面开裂产生。在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的。由此可以看出，只要能够降低第二相或者夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抑制或延缓疲劳裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。此外，晶界开裂也会产生裂纹。多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处产生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下，晶界处得应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。

疲劳微裂纹萌生后即进入裂纹扩展阶段。根据裂纹扩展方向，裂纹扩展可分为两个阶段。第一阶段是从表面进入侵入沟，先形成微裂纹，随后，裂纹主要沿主滑移系方向（最大切应力方向），以纯剪切方式向内扩展。在此阶段，裂纹扩展速率较低，但缺口试样，可能不出现裂纹扩展第一阶段。在第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直于拉应力的方向，进入第二扩展阶段。第二扩展阶段是疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。电镜断口分析表明，第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带。它是疲劳扩展时留下的微观痕迹，每一条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹、裂纹的扩展方向与条带垂直。一般滑移系较多的面心立方金属，其疲劳条带比较明显。而滑移系较少或组织状态比较复杂的钢铁材料，其疲劳条带往往短窄而紊乱，甚至看不到。

1.4.3低周疲劳概述

按照疲劳寿命高低和载荷不同，疲劳通常分为高周疲劳和低周疲劳。低周疲劳是指在低于次循环的 弹-塑性范围产生宏观裂纹或完全破坏的金属疲劳[12]。低周疲劳断裂应力水平较高，一般高于材料的屈服强度，在疲劳过程中通常有塑性应变发生，也称高应力疲劳或应变疲劳。低周疲劳试验通常在恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）下进行，主要研究循环塑性应变，应变控制下材料的疲劳寿命可表示为：

等式1.1中 表示塑性应变范围， 为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数，对于多数金属来说，疲劳延性系数近似于单向拉伸真实断裂韧性，疲劳延性指数为负，大多数金属的疲劳延性指数值在-0.5~-0.7之间[8]。论文网

低周疲劳有以下特点：

（1）应力应变不呈直线，形成循环滞后环。

（2）用Δεp-N曲线描述材料的疲劳抗力。

（3）有几个疲劳源，形核期较短，裂纹扩展速率较大。

（4）低周疲劳的寿命取决于Δεp，高周的取决于Δk1，两者都是循环塑性变形累计损伤的结果。