1 5.1疲劳断裂失效的基本形式和特征 5.2疲劳断口形貌及其特征
5.3疲劳断裂失效类型与鉴别 5.4疲劳断裂失效的原因与预防
第5章疲劳断裂失效分析
2Î按应力循环次数
当Nf＞105时为低应力高周疲劳（通常所指） 当Nf＜10
4时为高应力低周疲劳Î按服役的温度及介质条件
机械疲劳、高温疲劳、低温疲劳 冷热疲劳、腐蚀疲劳Î基本形式
切断疲劳：面心立方在单向压缩、拉伸及扭转条件下多以切断形式破坏
正断疲劳：大多数的金属构件的疲劳失效都是以此形式进行的，特别是体心立方金属
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Î疲劳断裂的突发性Î疲劳断裂应力很低
Î疲劳断裂是一个损伤积累的过程Î疲劳断裂对材料缺陷的敏感性Î疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
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典型的疲劳断口一般有三个区,即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。

疲劳断口的宏观特征与静载破坏的脆性断口相似，无明显的宏观塑性变形。

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Ø疲劳核心是疲劳破坏的起点，它总是位于零件强度最低或应力最高的地方。

Ø零件承受弯曲、扭转疲劳负荷时，最大应力区是在零件的表面。

Ø零件表面的加工刀痕、凹槽、尖角、台肩等处由于应力集中往往成为疲劳源。

Ø如果零件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、白点、空洞、化学成分的偏析等，则可能在零件内部产生疲劳源。

1、疲劳核心(或称疲劳源)
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Ù疲劳源的数目可以不止一个，在名义应力较高或是应力集中较为严重时，在高应力区域就可能产生几个疲劳源。

Ù疲劳源的位置用肉眼或低倍放大镜就能判断，一般在疲劳区中磨得最光亮的地方。

Ù在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下，可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序，疲劳线的密度越大，表示起源的时间越早。

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疲劳断口上最重要的特征区域
该区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志，如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹等。

贝纹线以疲劳源为中心，向四周推进呈弧形线条，垂直于
裂纹扩展方向。

对于光滑试样，疲劳弧线的圆心一般指向疲劳源区。

扩展到一定程度时，也可能出现疲劳弧线的转向现象
当试样表面有尖锐缺口时，疲劳弧线的圆心指向疲劳源区的相反方向。

在低周疲劳断口上一般也不常能观察到贝壳状条纹线。

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$疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断,它的特征与
静拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同,但有时仅出现剪切唇而无放射区。

$对于非常脆的材料,此区为结晶状断口，即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。

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6与静载拉伸断裂时不同，拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部。

缺口试样由于缺口根部有应力集中故靠近表面裂纹扩展快，结果形成波浪形的疲劳弧线。

高应力导致疲劳稳定扩展区较小，而最终断裂区所占比例较大。

6旋转弯曲的疲劳源区一般出现在表面，但无固定地点，疲劳源可
以为多个。

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。

而高应力集中时，最终撕裂面移向中心，呈现棘轮花样。

交变扭转载荷也出现这种花样
6双向弯曲的疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面内部。

在高名义应力下，光滑的和有缺口的零件瞬断区的面积都大于扩展区，且位于中心部位，形状似腰鼓形。

随着载荷和应力程度的提高，瞬断区的形状逐渐变形成为椭圆形。

在低名义应力下，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，瞬断区偏离中心位置。

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Ð第一阶段为切向扩展阶段。

在交变应力作用下，使滑移形成的裂纹源扩展形成可观察的裂纹，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°角方向的滑移面扩展。

该阶段中裂纹扩展范围较
小，一般在2~5个晶粒之内。

Ð第二阶段为正向扩展阶段。

裂纹从原来与拉伸轴呈45 °的滑移面，发展到与拉伸轴呈90 °，该阶段的断口具有引人注目的独特形态－疲劳辉纹。

Ð第三阶段是由于裂纹扩展到一定长度后，使构件的有效截面减少而造成的一次性快速断裂，断口特征常为韧窝型撕裂。

12疲劳辉纹的一般特点
（1）疲劳裂纹是一系列基本上相平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直，其凸弧面指向裂纹扩展方向。

（2）在疲劳裂纹稳定扩展阶段，所形成的每一条辉纹相当于一次载荷循环。

辉纹确定了裂纹前沿线在前进时的位置。

（3）疲劳辉纹的间距随应力场强度因子而变化，应力越大，间距越宽；反之应力越小，则间距越窄。

（4）疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不一的小断块组成，每一小断块上的疲劳辉纹连续且平行，而相邻小断块上的疲劳辉纹不一定连续和平行。

（5）断口的两匹配面上的辉纹基本对应。

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一般来说，面心立方晶格金属如铝合金、奥氏体钢的辉纹较清晰明显，体心立方晶格金属及密排六方晶格金属的辉纹远不如前者明显；如普通钢的疲劳辉纹短而不连
续，轮廓也不明显。

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（1）一般情况下，形成疲劳裂纹的循环周次至少有1000以上，若周次很低，其断口上观察不到辉纹
（2）疲劳裂纹前端必须处于张开型平面应变状态，所以只有当疲劳断口与疲劳载荷张应力相垂直时（即正断型），才能观察到疲劳辉纹。

（3）有时因为疲劳辉纹间距太小，以至于使用扫描电镜观察不到，即使用二级复型技术在透射电镜中也不能分辨这些稠密的细条纹，但实际上是存在的。

据有关研究报导，辉纹的间距可以小到20nm左右。

15（4）材料性质对辉纹的影响很复杂。

成分、显微组织以及机械性能等都将会对辉纹产生很大的影响。

¾韧性材料形成辉纹较容易，脆性材料较难。

对
合金钢来说，材料的K IC （断裂韧度）越高，辉纹越容易形成。

¾晶体结构对辉纹形成有很大影响，面心立方晶格金属比体心立方晶格金属要明显得多，其原因可能是体心立方金属层错能高，易于交叉滑移，
不利于形成辉纹。

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大多数疲劳辉纹是属于韧性辉纹。

脆性辉纹只有在特殊条件下形成，通常在腐蚀性环境中形成的腐蚀疲劳断口，其上的辉纹为脆性辉纹。

疲劳辉纹呈脆性疲劳辉纹，微观形貌好象把解理和疲劳两种特征结合在一起，疲劳辉纹与脆性解理河流花
样相垂直。

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Î低周疲劳断口比高周疲劳断口的研究要少得多。

通常情况
下，低周疲劳断口上的辉纹要粗些，间距要宽些。

Î在许多金属和合金中，特别是超高强度钢和低强度材料中，可能不形成辉纹，而出现准解理或韧窝型断裂，主要是由于低周疲劳断裂所受的应力较大。

Î在低周疲劳断口上还常看到一种称为轮胎压痕的形貌，这种压痕虽不是疲劳辉纹，但它们是疲劳断口的可靠标志。

Î低周疲劳应力较复杂，断口形貌也较复杂。

如HFT60，当疲劳寿命Nf＜90时，断口均为韧窝；当Nf>300时，出现轮胎压
痕；只有Nf＞1000时，才出现疲劳辉纹。

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（1）腐蚀疲劳不需要特定的腐蚀系统
（2）任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳
（3）材料的腐蚀疲劳不存在疲劳极限
（4）由于腐蚀介质的影响，使疲劳曲线明显地向低
值方向推移，即疲劳强度显著降低
（5）温度升高，介质浓度越高，裂纹扩展速率越大21
（1）脆性断裂，断口附近无塑变
（2）微观断口可见疲劳辉纹，但模糊不清
（3）属于多源疲劳，源自表面缺陷或腐蚀坑底部，
裂纹的走向可以是穿晶的，也可能是沿晶型的
（4）断口上的腐蚀产物与环境中的腐蚀介质相致
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（1）典型的表面疲劳裂纹呈龟裂状，根据热应力方向，也形
成近似相互平等的多裂纹状态。

（2）热疲劳断口由于受高温环境的影响，断口表面复盖一层
较厚的氧化层，有时虽然在宏观上已判断为热疲劳断裂，但
微观上却无法看到辉纹，只能看到氧化皮特征。

（3）裂纹走向可以是沿晶，也可以是穿晶的，一般裂纹端较
尖锐，裂纹内有或充满氧化物。

（4）由于热蚀作用，微观断口上的疲劳辉纹粗大，有时尚有
韧窝花样。

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（1）接触疲劳多数情况下发生在高强度钢及超高强
度钢中，如轴承滚道表面的接触疲劳剥落，故难以
形成辉纹，因而在微观断口形貌上也难以找到辉纹
特征，却以准解理特征为主。

（2）典型宏观形貌：接触面上的麻点、凹坑和局部
剥落
（3）影响接触疲劳的主要因素有：应力条件、材料
的成分，组织结构，冶金质量，力学性能等
材料表面在较高的接触应力作用下，经过多次
应力循环，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，导致构件失效
的现象。

主要产生于滚动接触的机器零件，如
滚动轴承、齿轮、车轮等的表面
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