疲劳断口的宏观形貌特征
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材料失效分析(第五章-疲劳)
9
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
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锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
材料断口分析第6章-疲劳断裂
第六章 疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
46
§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
66
锯齿形断口
棘轮花样
67
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
68
瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
69
二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
46
§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
66
锯齿形断口
棘轮花样
67
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
68
瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
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二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
4.疲劳与疲劳断裂解析
2
4
1 疲劳断裂的基本形式和特征
2
5
1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是 体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件 在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深 的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在 表面产生。
2
7
1 疲劳断裂的基本形式和特征 1.2 疲劳断裂失效的一般特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程， 但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性 。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显 ～ 示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。
疲劳与疲劳断裂
1
绪言
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发
பைடு நூலகம்
生断裂，这种现象称为疲劳。
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机
件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。
疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。
2
疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的
“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故， 平均每年100次。(不包括中、苏) 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5090%，是机械、结构失效的最常见形式。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。
金属疲劳破坏机理及断口分析
型的剪切韧窝只有在高纯金属中才易出现。
图24 韧窝形貌 （a）撕裂韧窝（碳素钢760×）；（b）铜 （复型2600×）
（2）韧窝形成过程
对韧窝内部进行仔细观察，在钢中多数情况 下能够看到非金属夹杂物存在，因此，便想 到韧窝形成与第二相粒子存在有关。
韧窝形成模型：如图25所示。 图（a）当塑性变形时，在夹杂物周围 塞积着位错环。
图16 疲劳塑性辉纹形成过 程示意图
图16（a）表示交变应力为零时， 裂纹闭合。
图16（b）表示裂纹受拉时裂纹张 开，裂纹尖端尖角处由于应力集中 而沿45°方向产生滑移。
图16（c）表示当拉应力达到最大 时，滑移区扩大，使裂纹尖端变成 了近似半圆形。裂纹尖端由锐变钝， 应力集中减小，最后滑移停止，裂 纹停止扩展。----“塑性钝化”。
在交变应力作用下，当两条细滑移线上螺位错滑移时，便使滑移面上堆积的位错 相消，则在这些面上的位错源S1、S2、S3等将继续产生位错，滑移线便发展增 长，许多滑移线发展，就表现为滑移带的变宽和加深，以致形成“驻留滑移带”。
三、疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹是咋样扩展的呢？裂纹扩展有什么特征呢？ 在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹扩展可以分为
图12 疲劳第一阶 段形成的细滑移 线
图13 滑移线的发 图14 平行二面上
展
两列异号位错相
消形成空洞
用位错理论解释疲劳裂纹的形成：
第一阶段，在交变载荷作用下，金属表面上发现有均匀分布的细滑移线，如图 12所示。
第二阶段主要表现为滑移带交宽，以致形成“驻留滑移带”。如图13位错模型 来解释。
的方向在很窄的范围内产生切变， 不过塑性变形只在裂纹尖端局部 地区进行。 图21 脆性辉纹形成过程示意图 图d表示在最大拉应力下发生塑 性钝化，这种钝化使裂纹扩展停 止。 图e表示在最大压应力下裂纹闭 合。下一次应力循环，解理断裂 将在和解理面方位最适宜的裂纹 分叉处产生。
图24 韧窝形貌 （a）撕裂韧窝（碳素钢760×）；（b）铜 （复型2600×）
（2）韧窝形成过程
对韧窝内部进行仔细观察，在钢中多数情况 下能够看到非金属夹杂物存在，因此，便想 到韧窝形成与第二相粒子存在有关。
韧窝形成模型：如图25所示。 图（a）当塑性变形时，在夹杂物周围 塞积着位错环。
图16 疲劳塑性辉纹形成过 程示意图
图16（a）表示交变应力为零时， 裂纹闭合。
图16（b）表示裂纹受拉时裂纹张 开，裂纹尖端尖角处由于应力集中 而沿45°方向产生滑移。
图16（c）表示当拉应力达到最大 时，滑移区扩大，使裂纹尖端变成 了近似半圆形。裂纹尖端由锐变钝， 应力集中减小，最后滑移停止，裂 纹停止扩展。----“塑性钝化”。
在交变应力作用下，当两条细滑移线上螺位错滑移时，便使滑移面上堆积的位错 相消，则在这些面上的位错源S1、S2、S3等将继续产生位错，滑移线便发展增 长，许多滑移线发展，就表现为滑移带的变宽和加深，以致形成“驻留滑移带”。
三、疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹是咋样扩展的呢？裂纹扩展有什么特征呢？ 在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹扩展可以分为
图12 疲劳第一阶 段形成的细滑移 线
图13 滑移线的发 图14 平行二面上
展
两列异号位错相
消形成空洞
用位错理论解释疲劳裂纹的形成：
第一阶段，在交变载荷作用下，金属表面上发现有均匀分布的细滑移线，如图 12所示。
第二阶段主要表现为滑移带交宽，以致形成“驻留滑移带”。如图13位错模型 来解释。
的方向在很窄的范围内产生切变， 不过塑性变形只在裂纹尖端局部 地区进行。 图21 脆性辉纹形成过程示意图 图d表示在最大拉应力下发生塑 性钝化，这种钝化使裂纹扩展停 止。 图e表示在最大压应力下裂纹闭 合。下一次应力循环，解理断裂 将在和解理面方位最适宜的裂纹 分叉处产生。
金属材料检测技术知识题库
金属材料检测技术知识题库一、判断题1）疲劳断裂在宏观上是在平行于最大拉伸方向发生。
（义）2）疲劳断口表面不显示宏观的塑性变形，除了低循环强度范围的断裂以外，都是脆性断口。
3）3）疲劳断裂的裂纹源一般位于零件表面的应力集中处或缺陷处。
（24）在疲劳断口的平滑区中可观察到“年轮”，这是疲劳断裂最突出的宏观形貌特征。
川）5）“年轮”在断口上的位置与应力状态有关。
弯曲疲劳断口的“年轮”仅在零件的一侧产生；拉压疲劳断口的“年轮”可能在零件的两侧产生。
（义）6）理论计算壁厚S l加上钢管的负偏差的附加值即得出直管的最小需要壁厚S min o（x）7）金属材料的抗拉强度表征材料对最大均匀变形的抗力。
（7）8）强度极限是指拉断钢材时所需要的拉力。
（义）9）屈服强度是指某一构件开始塑性变形时所承受的拉力。
（义）10）强度极限又叫抗拉强度，是钢材在拉断时刻所承受的最大应力。
（7）11）钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续地产生塑性变形的现象，称为蠕变。
（7）12）沿晶断口的最基本微观特征是有晶界刻面的冰糖块状形貌。
（）13）硬度的物理意义是唯一的。
（义）14）电站锅炉承压部件所承受的介质压力为P,由介质内压引起的应力可按厚壁容器处理。
其受力特点是：轴向应力J为沿整个截面均匀分布的拉应力；环向应力。
为非均匀分布的拉应力；径向应力斗为压应力。
（7）15）蠕变三阶段分为：减速阶段、稳定阶段、加速阶段。
（7）16）无损探伤是在不损坏被检查材料或成品的性能完整性的条件下而检测其缺陷的方法。
（7）17）电站常用的无损检验方法有超声波探伤、射线探伤、着色探伤、磁粉探伤。
（7）18）断口检查主要是检查焊缝断面上有无焊接缺陷。
（7）19）钢板许用应力与板厚有关。
（7）20）高温、应力和时间是材料发生蠕变的三要素。
（7）21）金属在一定温度和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象就是蠕变。
（7）22）合金钢管弯制前应进行光谱分析和硬度试验。
疲劳裂纹萌生及扩展
疲劳条纹(striation) 不同于海滩条带(beach mark) Cr12Ni2WMoV钢疲劳条纹:(金属学报,85)
透射电镜：1-3万倍
S
谱块
t
循环
条纹
条带
疲劳裂纹扩展的微观机理 1976 Crooker
Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片:(金学报,85)三种破坏形式:
微解理型 microcleavage
3)裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。 4)与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显 的塑性变形。 5)工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。
疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
观察 工具 放大 倍数 观察 对象 肉眼，放大镜
1-10×
金相显微镜
10-1000×
电子显微镜
1000×以上
宏观断口， 海滩条带；
裂纹源，滑移， 条纹，微解理 夹杂，缺陷； 微孔聚合
4. 由疲劳断口进行初步失效分析
断口宏观形貌: 是否疲劳破坏? 裂纹临界尺寸? 是否正常破坏？
破坏载荷？
金相或低倍观察： 裂纹源？是否有材料缺陷？缺陷的类型和大小？
高倍电镜微观观察： “海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速率。 疲劳断口分析，有助于判断失效原因，可为改进 疲劳研究和抗疲劳设计提供参考。 因此，应尽量保护断口，避免损失了宝贵的信息。
疲劳裂纹萌生与扩展
1.2 疲劳断裂破坏的严重性
1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业 部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影 响。 提交综合报告 “美国断裂破坏的经济影响” SP647-1 最终报告 “数据资料和经济分析方法” 断裂使美国一年损失1190亿美元 SP647-2
4.疲劳与疲劳断裂解析
典型的疲惫断口的宏观形貌构造可分为疲惫核心 、疲惫源区、疲惫裂纹的选择进展区、裂纹的快速扩 展区及瞬时断裂区等五个区域。一般疲惫断口在宏观 上也可粗略地分为疲惫源区、疲惫裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲惫区和瞬时 断裂区两个局部。大多数工程2 构件的疲惫断裂断口上 13
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
2
14
1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、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，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
3 疲惫断口形貌及其特征
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5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
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1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、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，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
疲劳断口形貌及其特征
来自02 疲劳断口的微观形貌 特征
(1) 疲劳断裂的微观形貌特征 疲劳断口微观形貌的基本特征是，在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、 疲劳辉纹等。疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样 。 延性疲劳辉纹：是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是 连续的，并向一个方向弯曲成波浪形。通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电子显微镜下可以观察到 微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性的。 脆性疲劳辉纹：是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理辉纹。在电 子显微镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹，又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样 及解理台阶。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂，或缓慢加载 的疲劳断裂中，其疲劳辉纹通常是脆性的。
低周疲劳断裂性质的判别 低周疲劳断口的微观基本特征是，粗大的疲劳辉纹或粗大的疲劳辉纹与微孔花样。同样，低周疲劳断 口的微观特征随材料性质、组织结构及环境条件的不同而有很大差别。 对于超高强度钢，在加载频率较低和振幅较大的条件下，低周疲劳断口上可能不出现疲劳辉纹，而代 之以沿晶断裂和微孔花样为特征。 热稳定不锈钢的低周疲劳断口上除具有典型的疲劳辉纹外，常出现大量的粗大滑移带及密布着细小二 次裂纹。 高温条件下的低周疲劳断裂，由于塑性变形容易，一般其疲劳辉纹更深、辉纹轮廓更为清晰，并且在 辉纹间隔处往往出现二次裂纹。
金属热疲劳断裂性质的判别 金属热疲劳断裂的微观特征是多为粗大的疲劳辉纹，或粗大的疲劳辉纹加微孔花样，并且其上多有一 层氧化物。
接触疲劳断裂性质的判别 接触疲劳断口和磨损疲劳断口特征基本相同，其疲劳辉纹均因摩擦而呈现断续状和不清晰特征。
(1) 疲劳断裂的微观形貌特征 疲劳断口微观形貌的基本特征是，在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、 疲劳辉纹等。疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样 。 延性疲劳辉纹：是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是 连续的，并向一个方向弯曲成波浪形。通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电子显微镜下可以观察到 微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性的。 脆性疲劳辉纹：是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理辉纹。在电 子显微镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹，又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样 及解理台阶。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂，或缓慢加载 的疲劳断裂中，其疲劳辉纹通常是脆性的。
低周疲劳断裂性质的判别 低周疲劳断口的微观基本特征是，粗大的疲劳辉纹或粗大的疲劳辉纹与微孔花样。同样，低周疲劳断 口的微观特征随材料性质、组织结构及环境条件的不同而有很大差别。 对于超高强度钢，在加载频率较低和振幅较大的条件下，低周疲劳断口上可能不出现疲劳辉纹，而代 之以沿晶断裂和微孔花样为特征。 热稳定不锈钢的低周疲劳断口上除具有典型的疲劳辉纹外，常出现大量的粗大滑移带及密布着细小二 次裂纹。 高温条件下的低周疲劳断裂，由于塑性变形容易，一般其疲劳辉纹更深、辉纹轮廓更为清晰，并且在 辉纹间隔处往往出现二次裂纹。
金属热疲劳断裂性质的判别 金属热疲劳断裂的微观特征是多为粗大的疲劳辉纹，或粗大的疲劳辉纹加微孔花样，并且其上多有一 层氧化物。
接触疲劳断裂性质的判别 接触疲劳断口和磨损疲劳断口特征基本相同，其疲劳辉纹均因摩擦而呈现断续状和不清晰特征。
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精选
断口的微观结构特征
5
疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象： 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
精选
6
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处 疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征 仍可确定疲劳源的大体位置。
精选
9
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
精选
沿晶断裂
3
疲劳断口的观察方法
• 为什么要进行疲劳断口分析？ 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关
断裂全过程的许多珍贵资料。借助断口可以分析断裂类型 、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因 和断裂机理，所以对断口的观察和研究一直受到重视。
疲劳断口提供了大量信息，由断口可分析裂纹起因、扩
• 断口的微观结构（通常指40x以上）
断口的宏观形貌特征
得到局部细节处的信息，了解破坏形成的微观机理，本质
上把握疲劳现象；甚至可以进行定量计算。
• 观察方法： 按照观察工具的不同，可以大致分为三类： o 肉眼或者放大镜观察——1~10x o 使用金相显微镜观察——10~1000x o 使用电子显微镜观察——1000x以上
展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是疲劳失效分析的
重要依据。
断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口分析的实验基础： 对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和
分析。
断口的微观结构特征
精选
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。
o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算）
精选
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
14
根据宏观形貌特征判断受载情况
最后断裂区
最后断裂区的面积小，说明应力水平比较低
精选
15
根据宏观形貌特征判断受载情况
棘轮状标志
根据裂纹源的位置和海滩条带，判断为偏心旋转弯曲载荷 断口边缘存在棘轮状标志，说明边缘处存在应力集中
精选
16
谢谢！
精选
17
最后断裂区
脆性断口
精选
塑性断口
12
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形： 将疲劳破坏的断口对合在一起，一般都能吻合的很好。这表明破坏之前并未发生大 的塑性变形，即使是塑性很好的材料也是如此。
疲劳断口
塑性断口
精选
13
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源，扩展区 和瞬断区，判断为单向弯曲载荷
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
精选
塑性断口
7
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口的宏观形貌
分为三个区：
o 疲劳源
（源区）
o 裂纹扩展区 （扩展区）
o 最后断裂区 （瞬断区）
精选
8
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳断口的宏观形貌特征
2014年12月30日
精选
1
目录
➢ 疲劳断口的观察方法 ➢ 疲劳断口的宏观形貌特征 ➢ 根据宏观形貌特征判断受载情况
精选
2
疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 （1）解理断裂 （2）准解理断裂 （3）韧窝断裂 （4）沿晶断裂
（5）疲劳断裂
（6）蠕变断裂 （7）…….
韧窝断裂
海滩条带是疲劳断口的宏观基本 特征，是判断结构断裂失效是否 为疲劳断裂的重要依据。
海滩条带
精选
11
疲劳断口的宏观形貌特征
• 最后断裂区 即瞬时断裂区。瞬时断裂区是裂纹扩展到剩余面积不足以承担最大疲劳载荷，
最后发生静强度（即过载）断裂失效形成的，瞬断区形貌与塑性或脆性断口形貌 基本一致，比较粗糙，也称粗粒区。
疲劳源位于内部缺陷处
• 疲劳裂纹萌生的原因： o 裂纹构件结构形状不合理：截面突变、拐角、缺口等； o 构件表面的晶粒粗大等组织缺陷，或者表面存在切削刀痕或划伤等工艺缺陷； o 若在材料的内部存在严重的冶金缺陷如夹渣、疏松时疲劳源也可能在此处产生。
精选
10
疲劳断口的宏观形貌特征
• 裂纹扩展区 o 扩展区断面光滑、平整——循环加载时，反复变形，裂开的两个面不断张开 、闭合，相互摩擦。 o 断面通常可见形似 “海滩”的海滩条带——载荷剧烈变动引起的。变幅加载 ，运行启动时，突然过载；在裂纹前沿出现较大的应力而留下塑性变形的痕 迹。
断口的微观结构特征
5
疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象： 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
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6
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处 疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征 仍可确定疲劳源的大体位置。
精选
9
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
精选
沿晶断裂
3
疲劳断口的观察方法
• 为什么要进行疲劳断口分析？ 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关
断裂全过程的许多珍贵资料。借助断口可以分析断裂类型 、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因 和断裂机理，所以对断口的观察和研究一直受到重视。
疲劳断口提供了大量信息，由断口可分析裂纹起因、扩
• 断口的微观结构（通常指40x以上）
断口的宏观形貌特征
得到局部细节处的信息，了解破坏形成的微观机理，本质
上把握疲劳现象；甚至可以进行定量计算。
• 观察方法： 按照观察工具的不同，可以大致分为三类： o 肉眼或者放大镜观察——1~10x o 使用金相显微镜观察——10~1000x o 使用电子显微镜观察——1000x以上
展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是疲劳失效分析的
重要依据。
断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口分析的实验基础： 对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和
分析。
断口的微观结构特征
精选
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。
o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算）
精选
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
14
根据宏观形貌特征判断受载情况
最后断裂区
最后断裂区的面积小，说明应力水平比较低
精选
15
根据宏观形貌特征判断受载情况
棘轮状标志
根据裂纹源的位置和海滩条带，判断为偏心旋转弯曲载荷 断口边缘存在棘轮状标志，说明边缘处存在应力集中
精选
16
谢谢！
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17
最后断裂区
脆性断口
精选
塑性断口
12
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形： 将疲劳破坏的断口对合在一起，一般都能吻合的很好。这表明破坏之前并未发生大 的塑性变形，即使是塑性很好的材料也是如此。
疲劳断口
塑性断口
精选
13
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源，扩展区 和瞬断区，判断为单向弯曲载荷
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
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塑性断口
7
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口的宏观形貌
分为三个区：
o 疲劳源
（源区）
o 裂纹扩展区 （扩展区）
o 最后断裂区 （瞬断区）
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8
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳断口的宏观形貌特征
2014年12月30日
精选
1
目录
➢ 疲劳断口的观察方法 ➢ 疲劳断口的宏观形貌特征 ➢ 根据宏观形貌特征判断受载情况
精选
2
疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 （1）解理断裂 （2）准解理断裂 （3）韧窝断裂 （4）沿晶断裂
（5）疲劳断裂
（6）蠕变断裂 （7）…….
韧窝断裂
海滩条带是疲劳断口的宏观基本 特征，是判断结构断裂失效是否 为疲劳断裂的重要依据。
海滩条带
精选
11
疲劳断口的宏观形貌特征
• 最后断裂区 即瞬时断裂区。瞬时断裂区是裂纹扩展到剩余面积不足以承担最大疲劳载荷，
最后发生静强度（即过载）断裂失效形成的，瞬断区形貌与塑性或脆性断口形貌 基本一致，比较粗糙，也称粗粒区。
疲劳源位于内部缺陷处
• 疲劳裂纹萌生的原因： o 裂纹构件结构形状不合理：截面突变、拐角、缺口等； o 构件表面的晶粒粗大等组织缺陷，或者表面存在切削刀痕或划伤等工艺缺陷； o 若在材料的内部存在严重的冶金缺陷如夹渣、疏松时疲劳源也可能在此处产生。
精选
10
疲劳断口的宏观形貌特征
• 裂纹扩展区 o 扩展区断面光滑、平整——循环加载时，反复变形，裂开的两个面不断张开 、闭合，相互摩擦。 o 断面通常可见形似 “海滩”的海滩条带——载荷剧烈变动引起的。变幅加载 ，运行启动时，突然过载；在裂纹前沿出现较大的应力而留下塑性变形的痕 迹。