DZ22小孔旁疲劳裂纹扩展的试验研究

2　试验结果及分析

2.1　疲劳裂纹起源

　　宏观上看，所有试样的断口均经过小孔，见图3。扫描电子显微镜断口观察表明，孔周微裂纹作为疲劳源在交变载荷作用下直接扩展导致试样断裂，见图4。

图3　疲劳裂纹形状

图4　断口典型形貌

2.2　疲劳裂纹扩展特性

　　断口分析表明，临近孔边裂纹扩展速率较快，这与孔的应力集中及可能存在的残余应力有关，也与适当的晶体学取向的晶粒内裂纹尖端高的循环应变有关。微裂纹作为线源向基体纵深方向发展，经过孔边较快扩展后，裂纹沿解理面稳定扩展。随着裂纹的扩展，断面的粗糙度提高，这与净面积减小、载荷上升、塑性变形增加是一致的。分析表明，解理面为(111)面。由于DZ22为定向结晶材料，枝晶粗大，因而裂纹在单个晶粒内的扩展距离较长。J.N.Eastabrook, P.D.Hobson, K.J.Miller和J.Lankford指出，小裂纹的扩展阻力主要来自裂纹前缘不同取向晶粒的晶界，这样必然导致粗晶材料内高的小裂纹扩展速率，本试验的孔旁裂纹扩展速率为da/dN数据也说明了这一点。
　　从图4可以看出，扩展区大部分呈解理状，说明滑移只限于{111}〈110〉滑移带中特定取向的(111)面，这与室温下低ΔK值时位错交滑移及靠热激活的位错攀移困难有关。变形不均匀导致疲劳裂纹扩展较快。这也说明并不是所有微裂纹都会在交变载荷的作用下扩展并导致疲劳破坏，只有那些特定取向、符合微观组织(如晶界、第二相粒子)和微观力学(如微观塑性、滑移带)环境的微裂纹才会造成疲劳破坏。因此，控制微裂纹的深度并不一定能有效延长疲劳寿命，试验结果也证明了这一点。导致疲劳破坏的疲劳源即深度在10～70 μm之间的微裂纹，并不一定是所在孔中的较大者，甚至在试样疲劳破坏后有微裂纹还未见有任何扩展现象。
　　图5为da/dN与ΔK关系的试验曲线。可以看出，裂纹扩展过程中，初始时裂纹扩展速率较高，延后放慢，接着稳定上升，这与上述分析是一致的。

图5　da/dN与ΔK关系曲线

3　结束语

　　(1)取向合适的微裂纹在低ΔK下也会扩展，微裂纹的存在必将大大降低构件的疲劳性能。改善微裂纹的分布状况有助于满足有限寿命设计的航空部件的要求。
　　(2)微裂纹的扩展涉及微观组织及微观力学中的许多因素，并且各因素可能交互作用，值得进一步研究。