弹簧疲劳裂纹扩展第一阶段的扩展机理

　　弹簧疲劳裂纹扩展第一阶段的断口多为光滑、半扁平的断面。X射线分析证明，在面心立方金属中，平面为[111]面。

　　初始方向与最大剪应力方向一致，膨胀过程中遇到晶界后略有变化。逐渐向垂直于最大拉应力的方向过渡。一些弹簧材料，如Al-7.5%高强度铝，在裂纹扩展的第一阶段可以观察到锯齿形截面，这是沿11111平面不同方向滑移发展的第一阶段的结果。可见，弹簧疲劳裂纹扩展的第一阶段主要特征是沿特定的滑移面，即体心立方金属中的| 111}面。断裂平缓光滑，说明第一阶段的扩展是交变应力作用下特定滑面的反复扩展，导致裂纹扩展。现在，主要有以下几个模型来描述扩展的第一阶段：

　　1、塑性钝化模型：该模型认为在交变应力作用下，裂纹尖端在半个拉应力周期内由于塑性流动而张开钝化，从而形成新的表面，裂纹向前扩展。在压应力的半周内，裂纹再次闭合。在一个循环结束时，裂纹向前扩展了ΔC。这种反复的拉伸和压缩交替进行，裂纹将继续向前扩展，见图6-60。由于裂纹在第一阶段扩展，每个循环的膨胀量很小，因此除了划痕外，表面没有其他痕迹。该模型要求两组滑移面沿裂纹前缘剪切头方向的流变性，适用于具有波纹状滑移的弹簧材料。

　　2、防滑模型：该模型基于大多数弹簧材料在第一级截面上看不到疲劳辉光的事实。人们认为裂纹的扩展严格沿滑动面进行。这种纯剪切（无层间滑移）受过程控制。

　　如图6-61所示。首先，裂纹一侧的金属被剪切位移，使另一侧金属表面到裂纹尖端的距离从C1增加到C2，然后在压缩载荷下。样品表面恢复到原来的状态。此时，裂纹长度从C1增加到（C1+C2）/2，△C=（C1+C2）/2。

　　从本质上讲，这两种方法与模型没有根本区别，因为它们所描述的裂纹扩展是通过相同的塑性位移来产生新的表面。然而，该模型适用于平面滑动弹簧材料。

　　3、粘聚力弱化模型：这是一个针对镍基高温金津提出的模型。该模型认为，在高周疲劳载荷作用下，裂纹前缘的滑动面（少量滑动面）发生重复滑动运动。这种滑动运动削弱了滑动面之间的原子结合力。当这种弱化效应在裂尖前方的局部区域足够大时，在正应力作用下产生局部低应力断裂，裂纹向前扩展很短距离，导致所谓的“无明显塑性变形”见“6-62”的“破坏”示意图。

　　该模式也可以解释镍基高温合金低周疲劳第一阶段膨胀的特征。

　　在高应变作用下，裂纹尖端的局部区域将产生严重的变形，变形区将被加宽。在最大应力作用下，局部区域会发生微坑塑性断裂。从而在横截面上留下微坑。

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