第三章模具的疲劳失效

1、第三章 模具的疲劳失效目次: 1 静载断裂与疲劳断裂 2 疲劳断裂及特征 3 疲劳断口特征 4 疲劳断裂微观规律 一 裂纹萌生 二 裂纹扩展 5 疲劳裂纹扩展的宏观规律 6 热疲劳 1 静载断裂与疲劳断裂 金属在外加载荷作用下，渐渐发生变形，直至最后断裂，通常以长度变化来表征应变量。 （一种）工程应变 （另一种）真应变 当应变量在20%以内时，值近似等于，但大于20%,它们之间差别逐渐增大。 000lllll)ln(00llldlll 工程应变与真应变有如下关系： =ln（1+） 金属材料的应力应变之间在不同应变范围内存在着不同关系，如下图所示。在弹性范围内，应力与应变之间呈线性关系，遵循虎克

2、定律： =E 当材料应变量超过弹应变范围后，产生永久变形，晶体发生塑性流动,其所对应的应力表示为（ ）。工程上还规定产生0.2%的永久变形（塑性变形）所对应的应力值为材料的屈服强度（ ）。s2 . 0 当材料进入塑性变形后，应力和应变之间不再呈线性关系，对于幂硬化材料，他们呈指数关系： (指出材料达 ， 发生塑性失稳， 但还不是断裂， 断裂指其时载 荷除以断口处 的颈缩后小截 面，才是断裂 ) nkbf 弹变、塑变、塑变失稳这即是塑性材料在静载荷条件下发生断裂的主要过程特征。若在交变（循环）载荷（应力）作用下引起的断裂现象称为疲劳断裂。材料的破裂力 大大低于静载时的 。疲劳损坏占90%，已有2

3、00年历史了。 它不是用拉伸曲线表征，而是用SN（应力断裂循环数）曲线表示材料的疲劳断裂行为。材料承受交变应力越高，则发生断裂循环次数就越少，反之，断裂循环次数就越多。 须指出，静载断与疲劳断是两种不同的断裂机制。ff 疲劳断裂类型有：高周疲劳断裂、低周疲劳断裂、接触疲劳断裂、腐蚀疲劳断裂、热疲劳断裂。 2 疲劳断裂方式及一般特征 1、脆性断裂方式 零件或试样在整个疲劳过程中，不发生肉眼可见的宏观塑变，若是应力疲劳（高循环疲劳）疲断后，也不见宏观塑性变形。多数情况下，零件疲断是突然发生的。对于应力疲劳（即高周疲劳）甚至发生疲劳断裂之后，整个零件或试样也不呈现宏观的塑性变形。所以可以把“疲断”归

4、之为“脆断”。 （如发动机连杆破损件） 2、断裂形貌 由裂纹源区 裂纹扩展区 瞬时断裂区 3 、表征疲劳性能的S-N曲线 疲断寿命（即断裂循环次数）随交变应力值降低而增高。对低碳钢，S-N曲线在低应力区逐渐趋于水平，而低于该水平线的交变应力，不会再使低碳钢引起疲劳断裂。通常称该水平线上交变应力为“疲劳强度极限”，简称“疲劳极限”。 除低碳钢外，合金钢、铝合金、钛合金、镍基合金等材料它们的S-N曲线不存在水平段，对这类材料，常以或次循环不断裂所对应的交变应力值定义为“条件疲劳强度极限”。 4 、疲劳强度的分 散性 S-N曲线具有一定 分散度。如图所示。 5 、缺口效应 由无数试验得知：塑性材料在

5、静载条件下，缺口试样的 常高于光滑试样；但在交变载荷条件下，缺口试样的 (疲劳极限)通常低于光滑试样的 。 bee 材料的塑性越低，具缺口和无缺口两种 疲劳强度的差距就越大。疲劳对缺口敏感 性 6 、表面粗糙度影响 表面粗糙度对于静强度几乎没有什么影响，但对疲劳却有非常明显影响。 随着表面粗糙度值的降低而增高。（和缺口效应一致） 7 、环境因素影响 腐蚀环境能显著降低材料的 。 （中强合金结构钢-腐蚀环境-使 下降1/31/2）eee8 、表面滑移带形式 交变载荷下形成的滑带比单调加载时更为密集，部分也更高。9 、疲劳裂纹扩展的门槛值 S-N曲线上有个应力的极限值，而疲劳裂纹扩展也存在一个极限

6、值，常称之为裂纹扩展门槛值（ ） 断裂力学指标：对长裂纹（0.5mm） ， ，裂纹开始扩展，反之当 时，裂纹不再扩展。 ，不发生断裂，即 ，脆断thKthK1K1KthKIKICKICKaC3 疲劳断口特征 一、疲劳源区断口形貌 在表面没有任何类裂纹和残余应力条件下，绝大多数疲劳裂纹萌生于表面，对于易产生疲劳裂纹的地方，疲劳裂纹往往在角隅或圆角根部萌生。源区在断口上多呈半圆形或半椭圆形。裂纹在源区内扩展速度缓慢，所以其断口较其它两个区更为平坦，有时呈反光面。与其它两区比较，源区所占面积最小。 当表面层存在有足够高的残余应力时，裂纹源向次表面层面内移动，从而形成所谓“鱼眼”状疲劳断口。 应力集中

7、系数越高，或交变应力水平越高，则疲劳源数目也越多。对表层存在有裂纹的件，其疲劳断口往往不存在疲劳源区，而只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。 二、疲劳裂纹扩展区断口形貌 位于源区和瞬断区之间，不如源区平坦。呈海滩花样，并有间距不等的休止弧线和以源为中心的放射线。它是不同断裂面相交而形成台阶，这些台阶在断口上构成了放射状线。 扩展区面积最大。也是不断变化着。 三、瞬断区的断口形貌 对于塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净断面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬时断裂。 对于脆性材料，当疲劳裂纹扩展至材料的临界裂纹长度（ ）时，便发生瞬时脆断。 瞬时断裂是一种静载断裂，故具有静载断裂的断口形貌。靠近零件表面的瞬断

8、区往往是斜断口，处于中部的瞬断区往往是平坦区，与其它两区相比，不平坦的粗糙表面是其明显的特征。（加画J、A、柯林斯P184图7-3 ）ca4 疲劳断裂微观规律 一、疲劳裂纹的萌生（产生、成核） 一般地，试样和零件的疲劳裂纹大都萌生于外表面，但其萌生方式（机制）各有不同。实际零件上，各种加工工艺带来的各种形式类裂纹往往是导致零件疲劳失效的“先天”疲劳源。 下面我们讨论经过精细抛光的光滑表面上萌生疲劳裂纹（疲劳源）的一些主要机制。 综观之，疲劳裂纹可能在表面滑移带上，晶界上或孪晶界上，第二相与基体相界面等处萌生，而其机制又各有特点。 1.滑移带 与轴向单调加载一样，循环加载也使金属表面产生滑移带，

9、不过，它们分布及形态不尽同。如多晶体铜在单调拉伸和循环加载条件的表面滑移带形态，由实验可知，由图可看出：单调加载所现滑移带分布均匀、密集，而循环加载下的滑移带分布不均匀且粗大。 驻留滑移带机理。纯镍多晶体表面滑移线在疲劳中变化：经N=10循环后,仅在个别晶粒内出现滑移线，且分布又极不均匀。 随cycle次数增多，已出现的某些滑移带不 断加宽，同时出现一些新滑移线。已出现的滑移线在循环中又不断加宽，并形成较粗大的滑移带。经化学浸蚀或电抛光法除去表面层，其中一部分滑移线消失，而另一部分粗大的滑移带则不消失，这些粗大的滑移带并在随后cycle中又逐渐加宽，这就是疲劳条件下独有的“驻留滑移带”。继续c

10、ycle下去，驻留滑移带本身仍不断加宽，而新生的滑移线则逐渐布满各个晶粒。大量观察指出，疲劳裂纹往往就萌生于这些驻留滑移带上。 挤出挤入机理。晶体滑移导致的另一 种现象，是在滑移带上形成“挤出”和“挤入”。 铜的表面挤出物高达10m，宽度达几个m。那是由于滑移随载荷周期性变化，达某种程度后，材料滑移抗力下降，可能从滑移带中挤出金属，形成“峰”和“谷”。挤出部分随着循环而进一步增高。而挤入部分则深入滑移带内部，首先形成一个晶体学切口，并逐渐发展成为一个宏观可见的疲劳裂纹。 在Cu、Al和Fe中均可观察到“挤出”和“挤入”现象，它是疲劳萌生裂纹的一种机制。 滑移成核是疲劳裂纹萌生的一种最基本机制。

11、 制件发生疲劳失效原因众多，选材不当可能是其原因之一。屈服极限低的材料在疲劳过程中可以过早地出现滑移带，并在滑移带上“挤出”或“挤入”，萌生疲劳裂纹。 2.孪晶界与晶界 存有共格孪晶界时，驻留滑移带通常优先在此出现，导致疲劳裂纹萌生。在Zr、Sb、Cd、Cu、Au、Ni和-黄Cu中均观察到这一现象。有人认为，这与滑移带和孪晶界相交处的“挤出-挤入”有关。 多晶体金属晶 界处也是裂纹裂纹 容易萌生的区域。 -Fe晶界上显示说 明，萌生于晶界上 的疲裂纹是晶体发 生大量滑移的结果。 滑移面上领先位错 首先在晶界上受阻， 形成位错塞积，于是造成应力集中，此应力达临界 值时便引起晶体开裂。 晶粒细化则

12、高周疲劳强度越高。 与温度有关：纯铝在300晶界易开裂，25-73大减少，在-180不再出现开裂。一些高温镍基合金，在大于600疲裂纹萌生于晶界，在低温下，则萌生于晶内。 3.相界面 金属材料中存在多种非金属夹杂物。如钢中硅酸盐、硫化物、氢化物、氮化物等等。为了强化金材，往往使材料中形成第二相（弥散状或大颗粒状的强化相）。这些强化相与夹杂物和基体相交的界面也是疲劳裂纹优先萌生部位。 硬度高的基体夹杂物，对材料的疲劳性能是有害的，尤其高强钢是如此，冷作模具钢是这样。模具钢常在高强度低塑性下服役，因此，在模具的微观疲劳断口上，很 难观察到典型的疲劳带，其宏观断口往往呈现出海滩状形貌。对于高碳合金钢

13、，其疲劳断口往往出现粗糙的木纹状条纹。 冷作模具在高硬度状态下股役，这时，模具钢具有很高屈服强度和很低的断裂韧性。高的屈服强度有利于推迟疲劳裂纹的萌生，但低的断裂韧性使疲劳裂纹的扩展速率加快和临界长度减小，使疲劳裂纹扩展循环次数剧烈缩小。 对冷作模具，其疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹的萌生时间。 热作模具一般在中等或较低硬度状态下服役，模具钢的断裂韧性比冷作模具高得多。因此，在热作模具中，疲劳裂纹的扩展速率低于冷作模具，临界长度也大于冷作模具。 热作模具疲劳裂纹的亚临界扩展，周期较冷作模具长的多，但热作模具表面经受急冷急热，容易产生冷热疲劳裂纹。热作模具的疲劳裂纹萌生时间，要比冷作模具短的多。因而

14、， 热作模具的疲劳断裂寿命主要决定于疲劳裂纹的扩展时间。 二、疲劳裂纹的发展 （一）第一阶段-微观裂纹扩展 除了在相界面上的裂纹成核之外，在光滑表面的驻留滑移带、挤入槽、孪晶界、晶界、相界面等处的疲劳裂纹一旦萌生，在随后的交变载荷作用下，微裂纹沿与应力轴成45度角的最大切应力方向纵深扩展。对于多晶体金属，有时还有由许多个滑移带裂纹联结组合形成微裂纹而向纵深发展。第一阶段扩展速率da/dN310 。7 第一阶段断口形貌复杂，决定于微裂纹的扩展机制可以有“类脆性解理”，沿晶、韧窝、滑移线、疲劳条带或者混合形式断口形貌。 例：K镍基合金，先在45度方向出现滑移线，然后在驻留滑移带上萌生裂纹并沿45度

15、方向扩展。 一般认为，第一阶段裂纹扩展长度大约局限于几个晶粒尺寸范围内，对钢铁材料，第一阶段扩展深度为数百微米。 （二）裂纹扩展的第二阶段 第二阶段裂纹生长不是由局部切应力而是由裂纹顶端周围的最大主应力决定的。这样，裂纹顶端就受到主正应力的作用而偏离其滑移路线，沿着大致与最大正应力方向垂直的方向扩展。 当裂纹走向由45度角转向与拉力轴正交时（参阅前图）便可认为裂纹进入第二阶段的扩展。即疲劳裂纹沿着垂直于拉力轴的方向扩展。 此阶段有多种扩展机制，下面所示为塑性钝化机制示意图。 本阶段裂纹扩展速率： da/dN=310 10 mm/cycle72 本阶段断口形貌各种各样： 解理、沿晶、韧窝、疲劳带

16、等。上述几种，疲劳带是独有的。 断口上的疲劳带是标志疲劳断裂所特有的典型特征，有如下特点： （1）断口上疲劳带是一族大体上彼此平行的纹路。条带的法线方向基本上与该局部地区的裂纹扩展方向一致。 （2）由于晶粒取向不同，晶界和第二相质点存在，会使裂纹的扩展由一个平面转移至另一个平面，所以不同区域的疲劳带有时 分布在不同的高度的平面上，而各个小平面上的条带法线方向通常有一定的位向差。 （3）每一条疲劳带对应一次应力循环。疲劳条带的间距a与裂纹应力强度因子K成正比：K值越高，a值也越大。 根据条带与载荷循环相对应这一特征，可以计算疲劳裂纹扩展速率，并进而估算制件的疲劳断裂寿命。 须指出的是： （da/

17、dN）S ，作两级试验， 先S 后S ，则 1 实验资料表明，由于先后次序的不同，通常的迈纳数在1/44之间。 若循环应力按随机方式组合，则对应迈111222NnNn 纳数约为：0.61.6之间。 其原因为： 先施加大应力，如S ，产生一残余应力场，后作用较低水平的应力S ，故比没有产生残余应力的情况损伤要小些。122 累积损伤理论 若按Palmgren-Miner线性损伤理论，将D作为循环次数比的函数绘成曲线，结果约定为直线，如线2所示。 可是根据对实验结果所作研究，疲劳损伤积累常常是非线性的，如图中1和3所示。 此外，由图中所画的操作曲线还是应力幅水平的函数，较下面的曲线与较低的应力水平相

18、适应。图中1比2对应的应力水平高，2又比3对应的应力水平高。 为说明曲线1和3的含义，可看到，在 =0.4时，由迈纳假说所预测的损伤率为0.4，而同一个循环次数比在曲线1条件下得到的损伤率为0.78，在曲线3条件下得到的损伤率为0.08。Nn 一、马可-斯塔基累积损伤理论 假设： 1、正弦形对称应力循环应力幅中某一水平，其损伤曲线由下式定： D=（ ） m :应力水平的函数 2、当D值达到1时，受到任意顺序的正弦对称循环应力的试件将失效。 Nnimi 3、当 达某个临界值时，将出现失效，即100%的损伤率。这个临界值可用下面式子来近似表达 式中，N1 N2 Ni：在对称循环应力S1 S2Si

19、作用下产生失效时的循环次数。下标1，2，I为应力水平的作用次数。 NnNn1022212222113121)1(.)1(1).1 (rrDrNNrrDrNNdDNiNNNNNi 使用公式非常麻烦的，需要许多试验数据。但定性地用这个理论，只要看图8-2就行了。 如现考虑 和 两种顺序： 1.先作用 ， =0.5,然后作用，直至D=1.0 失效 2.先作用 ， =0.5，随后在应力水平 下工作，直至失效为止。 对于1,路线为O-M-N-F代表其过程。11133NnNn 失效时，循环次数比可由曲线的下列方程算出： = ( ) + ( ) 即 =0.5+（1-0.98） 即=0.52 NnNnNn13

20、NnNn 对于（2），路线O-A-B-F代表其过程，失效时循环次数比可由曲线的下列方程算出： = ( ) + ( ) 即 =0.5+(1-0.03) 即 =1.47 NnNnNn31NnNn 已知， ，则可看出：当主应力先作用时，由此分析所得循环次数比的总和要小于1，而当低应力先作用时，所得循环次数比总和要大于1，这与实验室结果一致。 将这个理论的概念概括起来，我们就可以估算出与失效相对应的循环次数比。13 二、亨利(Henry)累积损伤理论。 亨利的损伤理论以这样的概念为基础，即，当疲劳损伤积累时，S-N曲线将移动，而疲劳损伤可以定义为疲劳极限的减少量与没有用过的材料的初始疲劳极限之比。即：

21、 D = D ：损伤率； E ：材料初始疲劳极限； E ：损伤后的疲劳极限 。EEE 00 亨利理论在推导中，还假定：S-N曲线可用一个等边双曲线方程来表示。该双曲线以应力轴线为基准轴线，并以通过E与循环次数轴线平行直线作为渐近线。这样S-N曲线用方程就有如下形式： N= N ：在应力幅作用下失效的循环次数； S ：作用的对称循环应力幅； k ：材料常数； E ：材料初始疲劳极限；00Esk00 该导出过程意味着，在低于疲劳极限的循环应力水平下运转不会出现损伤。 亨利还进一步假设，损伤后的S-N曲线也可用一条等边双曲线来表示，因此， N = N ：在应力幅S作用下失效的剩余循环次数； S ：作用的对称循环应力幅； K ：材料常数； E ：损伤后的疲劳极限；ESkrr 根据实验研究，亨利认为以下式子是成立的： = 据如上假定，亨利损伤公式可导出如下： 在试件上作用就力幅S，运转几个循环次数，则在该应力幅下的剩余寿命N 可由下式给出： N = N - n 式中，N是原有材料在承受应力幅S时产生的失效所需要的总循环次数。0kk0EErr 解和联立，求得： N-n = 两边同除以N 得 1- = ( ) 将公式中的N值用公式代入，得： 1- = ( ) ESkrNnN1ESkNn00k