第5章疲劳断裂失效分析

第5章疲劳断裂失效分析
5.1.2 疲劳断裂失效的一般特征
• 金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突 发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性 等特点。引起疲劳断裂的应力一般很低， 断口上经常可观察到特殊的、反映断裂各 阶段宏观及微观过程的特殊花样。
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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。
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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。
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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。
• 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。
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• 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。
5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式 • 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、
弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲 劳等； • 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高 周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜ 104）；
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• 按零件服役的温度及介质条件可分为机械 疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、 低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。
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。
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5.1 疲劳断裂失效的基本形式和特征
σ-1 = (0.4 - 0.6)σb
或
σ-1 = 0.285 (σs+σb)
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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。
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部分材料的N0/Nf值
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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 材料塑性 温度 腐蚀介质
变化 增加 加大 增加 增加 升高 强
对N0/Nf值影响的趋势
降低 降低 升高 降低 降低 降低
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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。
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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：
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• 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。
第5章 疲劳断裂失效分析
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•
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
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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。
• 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。
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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。