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§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
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金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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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
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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
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锯齿形断口
棘轮花样
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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
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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）
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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
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4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
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二、疲劳裂纹扩展模型
1、连续扩展模型（塑性钝化模型）
A、交变应力为0时，裂纹闭合
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形成机理：
▴与第二相有关：在疲劳裂纹形成以后，由相互匹配的 断面上的突起或刀边，如断口上的第二相质点，反复 挤压或刻入而引起的压痕
▴与氢有关：氢浓集在显微孔洞时，在断面上留下凹坑
痕迹 ▴假象
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其它特征： 疲劳断片（fatigue patches） 疲劳台阶 二次裂纹 疲劳台阶
二次裂纹
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§4
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
7178铝合金
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铜合金
4340钢
高温镍基合金
低碳低合金钢
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2、辉纹四要素（特点） ①辉纹相互平行并且垂直于局部裂纹扩展方向 ②辉纹间距随循环应力强度因子振幅而变化 S = C(△K)n ③辉纹个数等于负载循环次数
2、平滑区
贝纹线（conchoidal、前沿线、年轮、海滩状） 产生：表示裂纹前沿在间歇扩展时的依次位置，它是机 器在开车、停车或负荷变动较大时造成的
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形状：一条条同心的圆弧 ▴若年轮绕裂源成为向外凸起的同心圆，表示材料 对缺不敏感（如低碳钢） ▴若年轮绕裂纹源成凹杯或凹状，则材料对缺口敏感
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④通常断面上一组辉纹是连续的，其长度大致平行；
相邻断面上的辉纹不连续
3、辉纹形成机理
裂纹扩展的连续模型和不连续模型
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4、辉纹类型
韧性辉纹：塑性变形量较大，清晰、连续，fcc 脆性辉纹：塑性变形量较小，较清晰、不连续，常见弧形 辉纹与河流花样相交，并互相垂直，bcc、hcp
韧性辉纹
脆性辉纹
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韧性辉纹
4
双向弯曲疲劳受力及断裂示意图
旋转弯曲疲劳受力及断裂示意图
5
扭转疲劳受力示意图
6
3、疲劳断裂的一般特征
▲疲劳断裂的应力远比静载下材料的σb低，甚至比σ0.2低很多，断
裂前无明显的塑性变形，是一种低应力脆断破坏现象
▲疲劳断裂是损伤累积过程的结果，是与时间相关的破坏方式。它 包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段，不同阶段损伤方式和 损伤量不同 ▲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 ▲微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂，也属一种脆性穿晶
腐蚀疲劳与一般疲劳的不同：
腐蚀疲劳受环境介质的影响，使得σ- N曲线相低值方向 移动裂源更容易形成，即孕育期较短，并且裂纹形成快， 其寿命较短
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B、当受拉应力时裂纹张开，尖角处由于
应力集中沿45°方向产生滑移 C、σL → σmax ，滑移区扩大，使裂纹 尖端变形成近似半圆，由锐→钝 D、当受压应力时，滑移沿相反方向进行 裂纹面被压近，裂纹尖端被弯折成 耳环状切口 E、σY → σmax ，裂纹表面被压合，尖 端由钝→锐，形成一个尖角，裂纹向 前扩展一个条纹
影响疲劳断口形貌的因素
1、载荷类型与应力大小
不同弯曲载荷和应力集中条件下棒材疲劳断口形貌示意图
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星形断口及形成过程示意图
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2、材质
3、晶界 在晶界附近，裂纹尖端受阻碍，当裂纹由一个晶粒
扩展到另一个晶粒时，其裂纹扩展方向发生变化。
4、夹杂物或第二相 阻止裂纹的扩展，当遇到较大的第二相粒子时，辉纹弯 曲形成台阶 可形成轮胎压痕 5、环境介质 疲劳裂纹在一定的环境介质下才产生辉纹，在真空中不
▴断口上具有较模糊的疲劳辉纹或脆性疲劳辉纹，由 于介质的腐蚀作用，使得辉纹变得模糊不清 ▴断口具有较明显的SCC的显微形貌特征基本上呈现沿 晶断裂形貌，但也可能出现穿晶断口形貌
如：铜合金、碳钢多半属沿晶断口
镁合金、γ不锈钢属穿晶断口 ▴断口中二次裂纹较多
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腐蚀疲劳与SCC的不同：
腐蚀疲劳在任何环境介质中都会引起 发生SCC的材料对介质具有选择性
（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
2
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
非对称（次表面）
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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：
脆性辉纹
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5、疲劳辉纹存在的条件
一般说来，疲劳辉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ仅存在于裂纹扩展的第二阶段（Nf ＞ 103）
必要条件：裂纹尖端必须处于张开型的平面应变状态， 即正断时才出现 材质：延性材料比较容易形成疲劳辉纹，脆性材料困难 环境：真空中不出现辉纹
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轮胎压痕（tire tracks） 形貌：类似车胎的压痕，是疲劳断口上最 小的特征花样
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2、不连续扩展模型
A、裂纹尖端塑性区在疲劳过程中部分累积损伤，形成显微空穴
B、裂纹在拉应力作用下变钝
C、未裂开的裂纹与空穴之间的部分受拉应力作用而变细，最后 导致两部分连接，使裂纹扩展△ a
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§疲劳断口形貌特征
一、宏观形貌特征
断口组成：裂源区、平滑区、瞬断区
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三区特征： 1、裂源区 位于材料表面、次表面或内部 光滑、细洁的扇形小区域 多源裂纹
变化规律：若年轮间距变化是规则的，则所受应力变化规则 若年轮间距较小时，则表示疲劳裂纹扩展较缓 慢，材料较韧 颜色：黑色或褐色，因断口表面受到空气、水、水蒸汽或其 它介质作用而氧化或腐蚀
磨光标记：由于机械零部件断口常常是在运行过程中形成的
因此两个匹配断口常互相磨擦，出现磨光的宏 观特征。特别是在裂源附近，其磨光程度更为 突 出，有时呈现一种发亮的研磨面
（齿轮相互接触）
热疲劳：由温度起伏（升高或降低）或热循环效应引起的疲
劳损坏。如热轧辊、热压模具表面出现的“龟裂”
腐蚀疲劳：材料在循环应力与腐蚀介质共同作用下产生的失
效现象（腐蚀坑）
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依载荷类型的特点，分为三类：
1、弯曲疲劳（单向、双向、旋转） 2、轴向疲劳（拉—拉、拉—压）
3、扭转疲劳
单向弯曲疲劳受力及断裂示意图
第五章
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
1
§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
产生辉纹。腐蚀疲劳就是在腐蚀环境中发生的疲劳断裂
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§5
腐蚀疲劳
产生的断裂
1、定义 : 材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下
2、裂源:多半位于材料表面的腐蚀坑处或表面缺陷部 位
3、断口形貌
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特征：
▴裂源多半起源于材料表面的腐蚀坑处或表面缺陷部 位，在裂源附近可能存在几个腐蚀坑，因此腐蚀疲
劳常是多源疲劳