金属材料疲劳短裂纹扩展行为研究进展综述

本文由Molin Su（中国石油集团安全环保技术研究院）、Wencai Liu（应急管理部油气储运安全风险防控重点实验室）、Yongdian Han（天津大学材料科学与工程学院）等学者合作完成，发表于2025年《Journal of Materials Research and Technology》第35卷。文章系统回顾了金属疲劳短裂纹（Short Crack, SC）扩展行为的研究进展，重点探讨了实验方法、微观机制与建模方法的创新，并为海洋工程与焊接结构的疲劳寿命预测提供了理论支持。

研究背景与意义

疲劳断裂是海洋工程结构的主要失效形式，而短裂纹（长度通常 mm）的扩展行为显著偏离传统线弹性断裂力学（Linear Elastic Fracture Mechanics, LEFM）的预测。Pearson（1975）首次发现短裂纹在相同应力强度因子范围（ΔK）下扩展速率（da/dN）可能高于长裂纹（Long Crack, LC），且能在低于阈值（ΔK_th）时扩展。后续研究表明，短裂纹扩展呈现“V形曲线”特征：初始高速扩展→随长度增加减速→达到临界尺寸后重新加速。由于焊接接头等非均质材料中短裂纹占疲劳寿命的50%~90%，但其扩展数据难以通过无损检测（NDT）获取，因此建立精确的短裂纹模型对工程安全至关重要。

核心内容与主要观点

1. 短裂纹的定义与实验方法

短裂纹可分为两类：
- 微观结构短裂纹（MSC, Microstructural Short Crack）：长度≤5~10倍平均晶粒尺寸（d_ave），扩展行为受晶界、夹杂物等微观特征显著影响。
- 物理短裂纹（PSC, Physical Short Crack）：长度≤1 mm，扩展受塑性区主导，但仍偏离LEFM预测。

实验方法对比：
- 复型法（Replica Method）：通过醋酸纤维薄膜记录裂纹形貌，但存在10%测量误差且耗时。
- 原位扫描电镜（In-situ SEM）：分辨率高，但需真空环境且成本高昂。
- 长焦显微镜（Long Focal Length Microscopy）：结合数字图像相关（DIC）技术，可实时观测高温或腐蚀环境下的裂纹扩展，性价比最优。
- 电位降法（Potential Drop Method）：仅适用于长裂纹，因短裂纹尖端闭合效应导致误差。

2. 短裂纹的扩展机制

• 晶界阻碍效应：高角度晶界（HAGBs）通过位错堆积阻碍裂纹扩展，而低角度晶界（LAGBs）影响较小。例如，304不锈钢中短裂纹常在首个晶界处停滞。
  
• 残余奥氏体（RA）的作用：在相变诱导塑性（TRIP）钢中，RA转变为马氏体产生的体积膨胀可引入压应力，通过相变诱导裂纹闭合（TICC）和粗糙度诱导闭合（RICC）降低da/dN。
  
• 过载（Overload）效应：单次过载可通过塑性区残余压应力和裂纹闭合效应延缓扩展，但高强度钢的过载敏感性较低。
  

3. 短裂纹建模进展

现有模型分为两类：
- 物理短裂纹模型：
- 有效裂纹长度模型：通过修正ΔK以包含塑性区尺寸（如Had模型）。
- 裂纹闭合模型：Newman提出δK_eff（有效应力强度因子范围）描述塑性诱导闭合效应，但忽略微观结构影响。
- J积分模型：Liao等将循环J积分用于多轴载荷下短裂纹，但计算复杂。
- 微观结构短裂纹模型：
- Hobson模型：基于晶粒尺寸预测da/dN，但仅适用于a≤d_ave。
- 能量模型：Zhao引入应变能密度δW_t，统一描述MSC减速与PSC加速行为。
- 统一模型：Shyam提出σ_ysφ_mφ_c参数（结合屈服强度与裂纹尖端位移），可跨材料预测短-长裂纹扩展，但需进一步优化。

4. 挑战与展望

当前研究存在以下局限性：
- 实验数据分散性大，尤其是焊接接头等非均质材料。
- 多数模型依赖材料特定参数（如晶粒尺寸、RA含量），普适性不足。
- 需开发融合微观结构效应与多轴载荷的跨尺度模型。

学术价值与应用意义

本文系统总结了短裂纹研究的40年进展，提出了实验标准化与模型统一的路径。其科学价值在于揭示了微观结构-载荷耦合的短裂纹扩展机制，工程价值则为海洋平台、航空发动机等关键部件的寿命评估提供了新思路。例如，通过优化焊接工艺或引入RA相，可显著提升结构的抗疲劳性能。

亮点与创新

1. 全面性：涵盖从MSC到LC的全生命周期扩展行为，并对比了4类实验方法的优劣。
   
2. 模型批判性分析：指出现有模型的适用边界，如Newman模型对PSC有效但忽略晶界效应。
   
3. 前瞻性建议：强调需开发基于机器学习的多参数统一模型，以应对复杂环境下的疲劳预测需求。
   

本文为疲劳断裂领域的研究者提供了重要参考，尤其对涉及非均质材料（如高熵合金、增材制造部件）的工程应用具有指导意义。