解析钢材材料_材料的S-N曲线及疲劳裂纹萌生机制
近十多年来，钢材市场也是发生了很多的改变，很多的合金（如钛合金、镍基合金、低碳钢、弹簧钢、轴承钢、不锈钢以及球墨铸铁）在超高周疲劳寿命区不存在传统的疲劳极限，对于大多教材料的疲劳裂纹，在低周疲劳和部分高周疲劳寿命区，发生在材料的表面，而在部分高周和超高周疲劳寿命区，发生在材料内部存在的夹杂、空洞、大的结晶颗粒等缺陷处。由于表面和内部破坏机制明显不同，导致材料的s-N曲线出现阶梯下降型，连续下降型等现象。持这样观点的认为L，疲劳裂纹表面萌生和内部萌生机制分别有各自的S-N曲线。称为般S-N曲线效应。如“阶梯下降型” S-N曲线(图6.1．l),在高应力幅阶段，疲劳裂纹表面萌生的概率大于内部萌生，试样以表面开装为主：当应力幅下降副疲劳裂纹表面萌生的门槛值以下时，表面不再萌生裂纹，此时出现一段水平平台，当疲劳循环达到内部萌生裂纹所需的周次时，（25SiMnMoA耐热钢型合金结构钢、20SiMn2MoV,低碳马氏体型合金结构钢、40CrMnMo调质型合金结构钢40CrMnM0）疲劳裂纹便萌生，然后不断扩展直至最后断裂。从图中可以看出，表面裂纹萌生和内郁裂纹萌生的S-N曲线呈明显的分离状态，且内部裂纹萌生型的S-N曲线即使到了IO挟应力循环，也没有山现疲劳板眼。
目前，大多散文献显示的疲劳裂纹内部萌，七的试样断口都具有鱼眼状特征。且裂纹源为较大的非金属夹杂物。似乎材料内部存在的夹杂物只有在超高周循环条件下才能萌生裂蚊，因为在超长的循环用次后，夹杂物在外载荷的作用下与基体脱粘，形成空洞，对此笔者提出疑问：为什么试样内部的夹杂物在高应力幅下不优先形成裂纹，而要等到低应力幅的足够循环周次后才萌生裂纹，对CrMo铜(SCM435)进行了105-108循环周次的拉压疲劳试验，结果表明所有试样的裂纹谭均在内部的兴杂物处，显然合金结构用钢的“疲劳裂纹在高应力幅，低周次下由表面萌生，低应力幅、高周次下在内部必杂物处萌生”的这种观点是不够正确的。实际上，材料内部只要有足够尺寸的夹杂物，不论在高应力辐还是低应力幅都可能成为裂纹的萌生场所，形成疲劳裂纹源。问题是材抖内部并非所有的夹杂物都会萌生裂纹，如果这样，疲劳新口上应该看到不止一个鱼眼状裂纹源。说明夹杂物内部萌生裂纹必然有—个临界尺寸，在低于夹杂物临界尺寸下，低合金结构用钢的疲劳裂纹就不会在夹杂物处萌生，不同的钢种夹杂物的临界尺寸也不同，大约在3-10um之间，所用的是经过电渣重熔的材辩，内部夹杂物报少，在疲劳断口上几乎看不到明显的夹杂物，所以在低应力幅、高周循环下不可能产生内部夹杂物萌生的疲劳裂纹。可以认为并不是所有的具有长寿命试佯的疲劳裂纹都是从试样内部萌生的，当试样内部没有明显夹杂物、空洞等缺陷时，高周循环下，疲劳裂纹也会从表面处萌生。用超声疲劳试验机对高强度钢进行了超高周疲劳研究，结果表明在10-7 -lO10循环周次之闻发生断裂的试样。20%的疲劳裂纹从试样表面萌生，80%起源于试样内部缺陷。对疲劳裂纹表面萌生的原因进行说明。
当时国内外借助超声疲劳试验机对材料进行超高周疲劳性能的研究主要针对的是某种材料的某一种状态，值得注意的是，同一种钢，不同的微观结构具有两种类型的S-N曲线，并且不论是在高应力幅。还是在低应力幅，疲劳裂纹均发生在试样表面上一点处或次表面某处材料的缺陷处。弹簧钢、轴承钢存在的缺陷问题也包括组织类型成分及其缺陷。
在低的应力幅下，材料的形变主要是弹性变形，那么表面的疲劳裂纹是如何萌生的尽管显示了超高周疲劳裂纹能在表面萌生这一事实，但相关机理性的研究报导报少。超高周疲劳机理时，把材料分为两大类：类型为单相延性材料。不含兴杂物。类型为含有非金属夹杂物的高强度。其研究结果认为对于类型。在超商周疲劳阶段疲劳裂纹从表面萌生，原因是在超高周疲劳阶段，尽管载荷低于PSB极限，但是一定的表面粗糙度达到一个临界值时引起的局部应力集中会使得应力超过PSB饭限，最后在PSB中形成裂纹：而类型2，在超高周阶段疲劳裂纹主要是次表面或内部夹杂物处形核。但目前，在载荷低于PSB诬限的超高周疲劳阶段，由表面粗糙引起的PSB及形成裂纹还没有得到直接的证明，认为表面萌生裂纹是由于局部不可逆积累塑性应变的结果。
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