【组织对表面疲劳裂纹的萌生与扩展的影响】
拼译：effect of microstructure on fatigue crack initiation and propagation from the surface
多数情况下疲劳裂纹萌生于表面。只有接触疲劳，裂纹萌生于表层以下最大剪应力的地方：或者当零件受表面强化处理时，裂纹也可能起源于表层以下。对化学热处理或表面淬火钢来说，其疲劳寿命的提高，不仅归结于表面残余压应力阻止了疲劳裂纹的扩展，也可能因为获得的表面强化层抑制了表面裂纹的萌生。
对单相金属来说，表面裂纹的萌生大都因为表面产生的驻留滑移带，其位错亚结构的特征现已完全清楚，这种结构决定了其循环软化行为。关于驻留滑移带向表面裂纹的演变过程．现已提出各种模型。在高应变幅或者高温的情况下，疲劳裂纹多萌生于晶界。McEvily和Johnston把表面裂纹萌生的难易程度和材料的层错能联系起来，他们认为层错能高的材料，由于交滑移易使表面产生粗糙不平的区域且分布不均，从而易产生疲劳裂纹；反之，低层错能的材料，则不易萌生裂纹，这种观点现已在铜和α-黄铜的单晶中得到证实。α-黄铜由于层错能较低，使裂纹萌生期的寿命延长了10倍。对多数工业用的金属材料，第2相和夹杂物对表面裂纹的萌生有更重要的影响。关于第2相和夹杂物的影响，研究的资料常常是矛盾的，一般报导均认为，疲劳裂纹多萌生于第2相或夹杂物与基体的界面。实际上，当第2相的弹性模量高尺寸小且在加载过程中十分稳定时，主要表现为阻止裂纹的萌生。许多高强度材料(钢、铝合金)，在循环加载时出现软化，是由于第2相不稳定所致。或者是第2相的溶解，或者是位错切过第2相都将导致裂纹的萌生。70年代初已经发现，当用控制应变幅代替应力幅时，高应变幅使绝大多数的沉淀强化材料，包括马氏体时效钢都有循环软化，因而属于低周疲劳的场合，不宜用高强度材料。只有
散强化的合金(如TD镍合金)和细丝增强的复合材料才有较高的稳定性。在组织对表层裂纹扩展的影响方面，已经了解的因素有：(1)基体的位错密度越高，裂纹扩展速率越低，疲劳门槛值越高。这在不同的冷变形量纯铁中得到证实。(2)第2相质点的平均间距愈小，扩展速度越快。(3)晶粒大小的影响，至少就波状滑移特性的材料如铝、铜来说，无论是对裂纹的发生还是裂纹的扩展，都没有显著的影响。而对平面滑移特性的材料，细晶粒有阻止疲劳裂纹由第一阶段向第2阶段(即向垂直于拉应力的平面扩展)的生长。(4)对一些面心立方金属的研究表明，裂纹扩展速率正比于裂纹的塑性区尺寸，层错能高的金属，塑性区尺寸也越大，因而趋于平面滑移的材料，将阻止裂纹扩展。(5)夹杂物在高应力时使扩展速率增加，而在低应力时并不特别有害。需要指出的是，组织对裂纹萌生与对裂纹扩展的影响，可能是不一致的，这就要看这两部分对整个疲劳寿命的相对贡献。例如高强度铝合金7075，工业纯与特殊精炼相比较，前者使裂纹萌生困难，但却加速了裂纹扩展。因此在高周疲劳时前者寿命较长，而在低周疲劳中却表现出相反的结果。近年来，各种表面改性技术发展迅速，研究其耐磨性和耐蚀性能较多，而对疲劳尤其是细致地将裂纹萌生与裂纹扩展两者的影响区分开来，尚很少见，这是今后研究的一个重要方向。【参考文献】：1 C Laird，Fatigue Microstructure，ASM．Seminar．1978，1492 M Klesnil P Lukas Fatigue of Metallic Materials，19803 H Mughrabi，Microscopic Mechanisms of Metals Fatigue ICSMS5．Pergamon，Oxford，1980，1615－16384 P．Neumann，Physical Metallurgy，Vo12，Editedby Cahn，Hassen，3rd Ed，North-Holland，Amsterdam1983，Chaq245 A J McEvily，T L Johnston，Proc of ICFl，Sendai Japan，VO12，1965，515－546．6 J C Grosskreuty Metall Trans 1972，12557 R W Landgraf Achievement of High Fatigue Resistance in Metals and Alloys，ASTM，STP－467，19708 堀部进，等．铁と钢，1977，V01，63，NO4，3869 C E Feltner，P．Beardmore，ASTM STP－467，1970，7710 S Karashima H．Orkawa and T．Agura，TJlMA，1978，vol9，205(西安交通大学何家文教授撰)