第5章 疲劳断裂失效分析

图5-3 疲劳断裂叶片断口
图5-6 螺栓疲劳断裂断口
2.疲劳断口宏观形貌的基本特征 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花 样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展 方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。 疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。 疲劳断口上的光亮区。
5.2.2 疲劳断口各区域的位置与形状
2.正断疲劳失效 • 正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初 裂纹产生的力学条件是：正应力/缺口正断 强度≥1，切应力/缺口切断强度＜1。
• 正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力 应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大 致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面 或不严格地沿着结晶学平面扩展。
• 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正 断形式进行的。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。 • 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、低温条件均 有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。
2、弯曲疲劳断裂 • 金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的 疲劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又 可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋 转弯曲疲劳三类。其共同点是初裂纹一般 源于表面，然后沿着与最大正应力垂直的 方向向内扩展，当剩余截面不能承受外加 载荷时，构件发生突然断裂。
（1）单向弯曲疲劳断裂
（2）双向弯曲疲劳断裂
• 某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用一。零 件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲 劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截 面的内部。两个疲劳核心并非同时产生，扩展速 度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完 全对称。材料的性质、负荷的大小、结构特征及 环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单 向弯曲疲劳断裂基本相同。
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
• 金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的 性能外，还与零件运行的环境条件有着密 切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对 材料的静强度也有一定的影响，但其影响 程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显 著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚 至就没有所说的疲劳极限。
• 但其基本形式只有两种，即由切应力引起 的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。 其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本 形式在不同条件下的复合。
1.切断疲劳失效 • 切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切 应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是： 切应力/缺口切断强度≥1；正应力/缺口正断 强度＜1。 • 切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应 力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在 平面与应力轴约成45º 角，并沿其滑移面扩 展。
3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程 • 疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很 长的时间才完成的。疲劳初裂纹的萌生与 扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。 • 疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、 试件的形状及应力集中状况、材料性质、 温度与介质等因素有关。 • 在工程上通常把试件上产生一条可见的初 裂纹的应力循环周次（N0）或将N0与试件 的总寿命Nf的比值（N0/Nf）作为表征材料 疲劳裂纹萌生孕育期的参量。
部分材料的N0/Nf值
各因素对N0/Nf值影响的趋势
影响因素 应力幅 应力集中 材料强度 变化 增加 加大 增加
对N0/Nf值影响的趋势
降低 降低 升高
材料塑性
温 度
增加
升高 强
降低
降低 降低
腐蚀介质
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
第5章 疲劳断裂失效分析
•
疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一，在 金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲 劳学科。自从Wöhler的经典疲劳著作发表以来，人 们充分地研究了不同材料在各种不同载荷和环境条 件下试验时的疲劳性能。尽管大多数工程技术人员 和设计人员已经注意到疲劳问题，而且已积累了大 量的实验数据，目前仍然有许多设备和机器发生疲 劳断裂。 • 疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿 命设计。零件、构件和设备的寿命估算，已成为疲 劳强度的一个重要组成部分。疲劳已从一个古老的 概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的 一门新兴学科——疲劳强度。
• 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。
a）10200×
b）12000×
图5-13 疲劳辉纹
• 由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般 略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件 下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数） 分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件 的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断 形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹， 绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材 料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加 载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式 的产生。
图5-2 实际的疲劳断口
（1）疲劳源区。是疲劳裂纹的萌生区，由多 个疲劳裂纹萌生点扩散并相遇而形成的区 域。 （2）疲劳裂纹扩展区。是疲劳裂纹的亚临界 扩展区，是疲劳断口上最重要的特征区域。 （3） 瞬时断裂区。即快速静断区。当疲劳 裂纹扩展到一定程度时，构件的有效承载 面承受不了当时的载荷而发生快速断裂。
（3）旋转弯曲疲劳断裂
• 许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。 • 旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面， 但无固定地点，疲劳源的数量可以是一个也可以 是多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总 是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。由此可 以根据疲劳源区与最后断裂区的相对位置推知轴 的旋转方向。 • 当轴的表面存在较大的应力集中时，可以出现多 个疲劳源区。此时最后断裂区将移至轴件的内部。
2、疲劳断裂应力很低 • 循环应力中最大应力幅值一般远低于材料的 强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲 疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为 静弯曲应为的20～40%；对于对称拉压疲劳 来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。 对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计 算公式为： σ-1 = (0.4 - 0.6)σb 或 σ-1 = 0.285 (σs+σb)
3.扭转疲劳断裂Байду номын сангаас
• 各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转 疲劳断裂的断口形貌，主要有三种类型。
（1）正向断裂
• 断裂表面与轴向成45角，即沿最大正应力作用的 平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状；双 向扭转时，其断裂面呈星状，应力集中较大的呈 锯齿状。
（2）切向断裂 • 断面与轴向垂直，即沿着最大切应力所在 平面断裂，横断面齐平。 • 正向断裂的宏观形貌一般为纤维状，不易 出现疲劳弧线。切向断裂较易出现疲劳弧 线。 （3）混合断裂 • 横断面呈阶梯状，即沿着最大切应力所在 平面起裂并在正应力作用下扩展引起的断 裂。
图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
图5-11 锯齿状断口
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征 • 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 。 • 疲劳辉纹的形貌随金属材料的组织结构、 晶粒位向及载荷性质的不同而发生多种变 化，通常具有以下特征：
a）塑性疲劳纹（1000×）
b）塑性疲（1000×）
图5-12 疲劳断口中的疲劳辉纹花样
（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小， 而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应 一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的 推进量； （2）疲劳辉纹的形状多为向前凸出的弧形条 痕。随着裂纹扩展速度的增加，线的曲率 加大。裂纹扩展过程中，如果遇到大块第 二相质点的阻碍，也可能出现反弧形或S形 弧线疲劳辉纹；
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征 1.金属疲劳断口宏观形貌 • 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
图5-1 疲劳断口示意图
• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
（3）疲劳辉纹的排列方向取决于各段疲劳裂 纹的扩展方向。不同晶粒或同一晶粒双晶 界的两侧，或同一晶粒不同区域的扩展方 向不同，产生的疲劳辉纹的方向也不一样； （4）面心立方结构材料比体心立方结构材料 易于形成疲劳辉纹，平面应变状态比平面 应力状态易形成疲劳辉纹，一般应力太小 时观察不到疲劳辉纹；
（5）并非在所有的疲劳断口上都能观察到疲 劳辉纹，疲劳辉纹的产生与否取决于材料 性质、载荷条件及环境因素等多方面的影 响； （6）疲劳辉纹在常温下往往是穿晶的，而在 高温下也可以出现沿晶的辉纹； （7）疲劳辉纹有延性和脆性两种类型。
图5-14 脆性疲劳辉 纹与解理河流花样
图5-15 脆性疲劳辉 纹与解理台阶不同
垂直（250×）
的位向（250×）
图5-16 疲劳断口 中的轮胎花样 （6000×）
5.1.2 疲劳断裂失效的一般特征