疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口宏观分析
1 疲劳断口的形貌特征疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面，称断裂面或断口。
分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问题提出改进意见。
对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。
所谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。
微观分析是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。
宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。
微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。
1.1 疲劳断口宏观特征由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同，在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。
（1）弯曲应力作用下的疲劳断口图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。
零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。
图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。
图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。
图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。
最终瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现象。
因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。
轴上有无应力集中及应力集中大小，其最终瞬断区的位置是不同的。
若应力集中较小时，疲劳源只在一处发生，最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。
疲劳断口的宏观形貌特征
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
疲劳断口的典型宏观特征
疲劳断口的典型宏观特征《疲劳断口的典型宏观特征》我记得有一次，我帮朋友检查他那辆旧自行车的链条。
那链条看着没什么大问题，但是在某个接口处却突然断掉了。
后来才知道，这可能是长期使用，类似疲劳断口的情况。
这小小的事情让我意识到，了解疲劳断口的特征是多么重要，不管是对于小小的自行车零件，还是大型的机械设备，它能帮助我们提前发现问题，避免一些不必要的危险或者损失呢。
特征分析特征一：贝壳纹（海滩纹）- 名称和来源：这纹路看起来就像贝壳或者海滩上的纹路一样，一圈一圈的。
它的形成呀，就像是物体累了一样，在每次承受力量的循环过程中，微小的损伤不断累积，就像树的年轮一样，慢慢地就形成了这样有规律的纹路。
- 作用和表现：就像我们看树的年轮能知道树的年龄一样，看到贝壳纹，我们大概就能知道这个断口经历了多少次力量的循环加载。
我有一次看到一个金属杆的断口有这种纹路，就感觉像是看到了它的“生命历程”。
它的纹路越密集，可能就表示这个东西承受力量的频率越高呢。
- 优缺点：优点就是它像一个小记录员，能给我们提供很多信息。
可是它的缺点就是，对于外行人来说，可能不太容易一眼就看出来这是贝壳纹，得有点经验或者学习才可以。
- 对事物性质或使用体验的影响：如果在一个机器的零件上发现了贝壳纹，那这个零件可能就已经承受了很多次的压力了，它的强度可能已经大打折扣了。
就像我们穿的鞋子，鞋底要是出现了类似的磨损纹路，那这双鞋可能就离坏掉不远了。
- 安全性和潜在问题：如果忽视了贝壳纹，可能会导致一些严重的后果。
比如在飞机的零部件上，如果有这种特征而没被发现，在飞行过程中可能会发生断裂，那可就是大灾难了。
特征二：疲劳源区- 名称和来源：这个区域就像是疲劳断口的“源头”。
它通常是因为零件在制造的时候可能存在一些小缺陷，或者是在使用过程中受到了一些局部的应力集中。
比如说一个金属块上有个小坑洼，每次受力的时候，这个小坑洼的地方受到的力就会比其他地方大很多，时间长了，这里就成了疲劳源区。
疲劳断口形貌及其特征
(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。
疲劳断口的宏观形貌特征
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。
最后断裂区
脆性断口
塑性断口
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。
疲劳断口的宏观形貌特征
2014年12月30日
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
疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 韧窝断裂
（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）…….
沿晶断裂
疲劳断口的观察方法
疲劳断口
塑性断口
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
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
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
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
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。 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
疲劳宏观断口的特征
在日常质量整改过程中，往往会看到一些损坏零件的断口，一些技术人员缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其断裂原因。
本文仅就疲劳断面如何判断作一介绍，希望能对您有所帮助！金属疲节断口的夫现形状特征...................... 疲劳師白恒函了產福昶輛薪看籬:毛轩很多斷裂営恳■具宵明星区别了其他任何性质斯蟄的断口耳溺特饪.苟过些特征又哥林料■性质.应力畑巫力太八政讣境肉幸鬧員观向•因归对披羽浙匚守折杲说霁站过程、分祈疫劳失效愿因旳重要方法©「-卜典型的波茹阡口往往由匿苏裂滾海区、瘦苛裂纹扩展EK和蜿时斷裂区三宀都分组戍，貝有次型的“員査“状或嚼滩壮诈纹的特征，这和将征给朗九鼓的鉴钊工乍討玉了根大的利砒°h疲苦裂纯源区菽劳裂纹源区是疲苛裂纹萌生您策卿L裁苇破坏的起區多处于桶T旳義峦源区的断口刑醐倉載情况F比较平坦、出死，且呈半圆形取半桅园形，同芮裂纹庄源區内的扩展直举煖慢，裂级表面受反貝侪压•挛帯次数多，所以莽断口较算他两个区灵为平坦.册光亮*右整/断口上与其他两个区相汁，痰劳裂纹诵区所白的面积最/扎当表面承受足蒼高赠余压应力或材科内部存古严重的冶金册色时，裂纹源则向次表面或机件内郃移就有时在疲育断口上世会出现多个裂纹瘪每卜瓯区所占面袄往住比单怡源区小.源区斷口持伍不 -定都具有孵个源区那祥典型的fm.裂纹源的數目取决于删的性债、机件的应力犹态以廉交变敷局吠呪等■:辭,礙力集中系数越大，台义应力挖禹巴址滾旁湍旳数匕就擾织婀iu玻专師」二常自〔T悝二K同忙胃讯疙针承址涉己、当壽替丧血疗在某裘勰时I则零杵无寂劳裂纹萌生期，疲劳裂级在交变載荷作用下直按由该袞裂纹艰邹冋纵猱扛展，这盯断口上不再岀现疲劳餌只有製纹扌二展区和孵时断段尻・2.技劳农纹扩廣区疲育裂纹扩展区是疲右裂纹形应后裂纹沁扩展形戍旳区域.该区是判断疲劳断裂旳最車昨征区域.其基本廿辻是呈现贝壳伏样丈注游伯三I是以技劳源区为中心.与裂纹扩展方问棉口兰旳呈半圆知云显十泊5占我•乂怖烧劳弘并斤节％幼乍秤汙广尺寸样中.其片端妁应冇大小和犬态发生变化巧苻断殽向上悄下的单件克形的扃啟贝纹花嘩是由我荷吏动弓|起的，囚天机器运转时不可戲免丸常有启动.停配隅然过载罕均可田下塑性变形的痕迹•贝纹线（疲劳亚线）•见纹驾的喟浙衷药仅与林料的性质有关.而且与介质情况. 温展条牛尊有关.材绍的塑•性好.医度玉百腐烛介贯存左时，则弘线滙版所以•这种弧线符征总是出现衽实际机件的预劳斷口中.市在实验堂的试年疲芜断=1 口很建看到明显的贝纹纷此对疲劳斷口表面由于多次反冥压缩帀孳按使该区变得光湫呈钿晶肚有盯苕至比洁得像溺状结澀h —飛贝纹线常见于低应力高周战劳断门中，丽低周疲劳幻I许多高强麦钢.衣存扶牛观察不列北科皿纹状的推进线。
疲劳断口的宏观形貌特征资料
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
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）
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。
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
疲劳源位于内部缺陷处
• 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
展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是疲劳失效分析的重
断口的微观结构特征
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
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：
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口的诊断和预防
疲劳断口的诊断方法
宏观观察：观察断口的宏 观形貌特征如裂纹、缺口 等
微观观察：通过显微镜观 察断口的微观结构如晶粒、 夹杂物等
化学分析：对断口进行化 学成分分析如元素含量、 氧化程度等
力学性能测试：对断口进 行力学性能测试如硬度、 强度等
疲劳寿命预测：根据断口 的宏观形貌特征和微观结 构预测疲劳寿命
预防措施：根据诊断结果 采取相应的预防措施如改 进材料、优化设计等
预防疲劳断口的措施
提高材料强度和韧 性
改善加工工艺减少 应力集中
控制载荷和温度避 免过载和过热
定期检查和维护及 时发现和修复疲劳 断口
THNK YOU
汇报人：
疲劳断口的宏观形貌特征
汇报人：
单击输入目录标题 疲劳断口的形成过程 疲劳断口的宏观形貌特征
影响疲劳断口宏观形貌的因素
疲劳断口的微观形貌特征 疲劳断口的诊断和预防
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疲劳断口的形成过程
疲劳裂纹的萌生
疲劳裂纹的萌生是疲劳断口形成的第一步 疲劳裂纹的萌生是由于材料在循环载荷作用下产生的 疲劳裂纹的萌生通常发生在材料的应力集中区域 疲劳裂纹的萌生是一个渐进的过程需要一定的时间
疲劳裂纹扩展区的微观形貌
疲劳裂纹扩展区：在疲劳断口表面形成的 裂纹扩展区域
微观形貌特征：包括裂纹扩展方向、裂纹 扩展速度、裂纹扩展深度等
裂纹扩展方向：裂纹扩展方向与应力方向 一致呈直线或曲线状
裂纹扩展速度：裂纹扩展速度与应力大 小、材料性质、环境条件等因素有关
裂纹扩展深度：裂纹扩展深度与应力大 小、材料性质、环境条件等因素有关
疲劳裂纹扩展区的微观形貌特征对疲劳断 口的宏观形貌特征有重要影响
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断口的微观结构特征
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） • 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。
谢谢！
疲劳断口
塑性断口
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
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
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
根据宏观形貌特征判断受载情况
棘轮状标志
根据裂纹源的位力集中
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
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。
疲劳断口的宏观形貌特征
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x 裂纹源、滑移、夹杂、 缺陷
1000x以上 条纹、微解理、微 孔聚合
例图
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：
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
塑性断口
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）
• 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 • o o o
疲劳源位于内部缺陷处
疲劳裂纹萌生的原因： 裂纹构件结构形状不合理：截面突变、拐角、缺口等； 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； 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。
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。
最后断裂区
脆性断口
塑性断口
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。
疲劳断口的宏观形貌特征
2014年12月30日
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
疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 韧窝断裂
（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）…….
沿晶断裂
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 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。
• 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
断口的微观结构特征
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 金相显微镜 电子显微镜
观察工具
放大倍数 观察对象
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。 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