金属疲劳断口的宏现形状特征

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金属疲劳断口的宏现形状特征
(2011-1-21 13:38:36)
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。

具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。

一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。

1、疲劳裂纹源区
疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。

因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。

在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。

当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。

有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。

裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。

通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。

当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。

2、疲劳裂纹扩展区
疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。

疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。

贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。

贝纹线的清晰度不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性好、温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。

所以，这种弧线特征总是出现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。

一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。

贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹
源成凹向弧线，说明裂纹沿表面扩展较内部快些，表示材料对缺口敏感，如高碳钢。

贝纹线间距也有不同。

近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区则贝纹线较稀疏，表明裂纹扩展较快。

疲劳裂纹扩展区在断口所占据的面积为最大，而贝纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及应力幅等。

随着应力幅的降低或材料韧性较好时，则贝纹区较大，贝纹线细而明显；反之随着应力幅的提高或材料韧性较差，则贝纹区较小，贝纹线粗而不明显。

当轴类机件拉压疲劳时，若表面无应力集中（无缺口），则裂纹因截面上应力均等而沿截面等速扩展，贝纹线呈一簇平行的圆弧线。

若机件表面存在应力集中（环形缺口），则因截面表层的应力比中间的高，裂纹沿表层的扩展快于中间区；高应力时，瞬断区面积相对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边及中间扩展差别不大，贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向半椭圆弧变化。

当机件弯曲疲劳时，其表面应力最大，中心最小，其贝纹线变化与缺口机件的拉压疲劳相似，如表面又存在缺口造成应力集中，则其变化程度会更大。

若机件为扭转疲劳时，其最大正应力和轴向呈45°角分布，最大切应力垂直或平行轴向分布，故疲劳断口有二类，一类为正断型，另一类为切断型。

脆性材料常是正断型扭转疲劳，常见的有锯齿状断口及星形断口，呈纤维状，如花键轴的断口。

切应力引起的切断型疲劳断口，断面垂直或平行于轴线，此时不会出现贝纹线，有时扭转疲劳也会出现混合断裂。

综上所述，应力集中影响贝纹线的形状，应力集中增大，相应的贝纹线较平坦；名义应力影响最终瞬断区的大小，名义应力增大，最终破断区的面积增加；应力状态主要影响疲劳源的位置和数量，双向弯曲，最小有两个疲劳源以及相应的扩展区，旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。

此外，对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。

这是由于裂纹扩展过程中，裂纹前沿的阻力不同，而发生扩展方面上的偏离，此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相交而形成台阶。

一次疲劳台阶出现在疲劳源区，二次疲劳台阶出现在疲劳裂纹的扩展区，它指明了裂纹的扩展方向，并与贝纹线相垂直，呈放射状射线。

3、瞬时断裂区
由于疲劳裂纹不断扩展，使零件或试样的有效断面逐渐减小，因此，应力不断增加。

对塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬时断裂，当材料塑性很大时，断口呈纤维状，暗灰色；对脆性材料，当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸αc时，便发生瞬时断裂，断口呈结晶状。

因此，瞬时断裂是一种静载断裂，它具有静载断裂的断口形貌，是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。

与其他两个区相比，瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区。

瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素，若应力较高或材料韧性较差，则瞬断区面积较大；反之，则瞬断区就较小。

以上分别介绍了各种条件下出现的疲劳断口三个区域的一般宏观特征，它们是判断零件疲劳失效的重要证据之一。

但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多因素，诸如材料种类、强度级别及环境介质等，这些因素可能使断口三个区域的形貌及其界限模糊不清，所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型、分明。

此外，在某些情况下，由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面在断裂过程中受到严重磨损等原因，以至于无法借助于它的宏观形貌来判断其失效性质。

在另一些情况下，虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性质，但尚需进一步查明引起疲劳失效的原因，这时就需要借助于微观断口分析。

金属脆性断裂失效现象
近百年来，随着金属材料的广泛应用，曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故，包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。

通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征有：
1、零件断成两部分或碎成多块；
2、断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好地吻合，在断口附近没有宏观的塑性变形迹象；
3、脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”；
4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；
5、温度降低，脆断倾向增加；
6、脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹；
7、一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的；
8、高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低强度钢也可能发生脆性断裂。

脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。

金属脆性断裂失效原因分析
1、应力分布
最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。

最大切应力促进塑性变形，是位错移动的推动力，而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。

当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化，这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀，即造成三向拉应力状态，极易导致脆性断裂。

因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。

材料的应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。

2、温度
温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增加，韧性下降，解理应力也随着下降。

对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。