失效分析3-2(疲劳断裂修改)

3、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
4、微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂，也属一种脆性 穿晶
疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂: 低应力循环的延时断裂 潜在的突发性脆性断裂 对缺陷十分敏感
三、疲劳断口形貌
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35
提高表面质量是提高构件疲劳抗力的重要途径！如 对材料表面进行磨削、强压、抛丸和滚压等，可以 提高疲劳强度
3） 缺口效应与应力集中
构件包含有缺口、螺纹、
孔洞、台阶以及与其相类似
的表面几何形状，也可能有
刀痕、机械划伤等表面缺陷，
这些部位使表面应力提高和
形成应力集中区，且往往成
应力 大小
高应力疲劳 低应力疲劳
拉伸疲劳 拉压疲劳 弯曲疲劳 扭转疲劳 混合疲劳
二. 疲劳断裂的特点
1、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
2、一个损伤积累过程（负荷经多次循环）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。
疲劳曲线
★疲劳裂纹的萌生-----表面（次表面、内部）
疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的， 主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂， 晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。
图3-29 滑移带中产生的 “挤入”及“挤出”示意
★疲劳裂纹的扩展 是一个包括滑移塑性形变与不稳定断
疲劳断口
疲劳断口条纹 Cr12Ni2WMoV钢的疲劳条纹和断口
2
宏观特征
断口呈银灰色，分为疲劳 源区、疲劳裂纹扩展区、 瞬断区，裂纹从试样一侧 的缺口根部起源，呈单源 特征，向另一侧扩展，最 后在一侧处发生断裂，疲 劳区相对较平坦、光滑， 疲劳扩展面积较大，几乎 占居整个面积，剪切唇区 比较小。
裂纹最后失稳快速扩展形成的断口区域， 一般在疲劳源的对侧,非对称（次表面） 断面中心
形貌特点：断口比疲劳区粗糙， “晶粒”结构，具有断 口三要素（放射区、剪切唇）的特征 脆性材料：断口结晶状，韧性材料中间平面应变放射状、 人字纹，边缘平面应力区为剪切唇区。
········根据疲劳断口的宏观特征, 可做如下判断········ 判断疲劳起源点及裂纹扩展方向
图3-37 疲劳断面不同部位疲劳辉纹形态
③ 疲劳辉纹分为韧性辉纹和脆性辉纹。
韧性疲劳辉纹较为常见，辉纹间距均匀规则。 脆性疲劳辉纹一般不常见，它被切割成一段段的解理台阶，间距 不均匀，断断续续。
(a) 韧性条带 TEM
(b) 脆性条带 TEM
X10000
X15000
图3-38 韧性和脆性疲劳辉纹
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
金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后， 可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。 这是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的 结果。
第三节、 疲劳断裂
一、疲劳断裂的基本概念
1.定义
------在交变载荷（交变应力或循环载荷）的作用下，虽然应力低于 金属材料的抗拉强度，有时甚至低于屈服极限，但经过一定的循环 周期后，金属构件会发生突然断裂。
2.分类
腐蚀疲劳 高温疲劳 微振疲劳 接触疲劳
低周疲劳 高周疲劳
交变 频率
环 疲劳 载
境
荷
疲劳极限应力越高，疲劳辉纹越容易观察到； 高强钢疲劳辉纹不如铝合金疲劳辉纹容易观察到。
② 裂纹三阶段有不同的微观特征：疲劳起源部位由很多细滑移
线组成，以后形成致密的条纹，随着裂纹的扩展，应力逐渐 增加，疲劳条纹的间距也随之增加。
(a) 疲劳源处形成大量的 滑移线 2500X
(b) 疲劳裂纹扩展初期形成 (c) 疲劳裂纹扩展后期形成 的疲劳条纹较密 3000X 的疲劳条纹较疏 3000X
图3-40 一次载荷循环产生一条疲劳辉纹的过程示意图
辉纹个数等于负载循环次数
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 ③辉纹个数等于负载循环次数 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 产生条件： 一般说来，疲劳辉纹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
1) 屈服强度
材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系； 一般来说，材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高
提高疲劳强度设法提高材料的屈服强度！如采用屈 服强度和抗拉强度比值高的材料或细化晶粒。
四. 影响疲劳断裂的因素
2）构件表面状态
表面粗糙度愈小，应力集中愈小，疲劳强度也愈高。 材随着表面粗糙度的增加，疲劳极限下降。
• 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
锯齿形断口
棘轮花样
2) 断口的微观形貌
当宏观判断不充分时，微观判据为疲劳断裂提供可靠性的 判据，如断裂条件、裂纹扩展速率等。
★ 疲劳辉纹
• 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
300℃，R=-1时高周缺口疲劳断口宏观形貌 σmax=250MPa，Nf=3.311×106；
疲劳源区低倍特征；
疲劳源区高倍特征；
(c)扩展前期疲劳条带特征；
(d)扩展中期疲劳条带特征；
(e)扩展后期疲劳条带及二次裂纹特征；(f)疲劳扩展区与瞬断区交界处形貌
瞬断形貌；
瞬断韧窝形貌
四. 影响疲劳断裂的因素
设计中应尽量避免应力集中，制造工艺要确保缺口 质量，有缺口的构件应避免选用缺口敏感的材料。
4）残余应力
工程构件在制造时不可避免地产生一定程度的残余应力。 残余应力的危害取决于其方向，当残余应力与施加应力反 向时，残余应力是有益的，反之则是有害的。 构件表面的残余拉应力对疲劳极为不利；表面残余压应力 对疲劳大有好处。
例子：钢制热卷弹簧及其热处理加热时，由于氧化使弹簧材料表 面变粗糙和产生脱碳现象，这样就降低了弹簧的疲劳强度。
பைடு நூலகம்
粗糙度对不同材料抗拉强度钢材疲劳强度的影响
表面状态
抛光 超级精磨加工 精磨 粗磨 铣削
疲劳强度的变化(%)
σs =480MPa σs =960MPa σs =1400MPa
100
100
100
★ 裂纹扩展区
亚稳扩展所形成的断口区域，是判断疲劳 断裂的重要特征
形貌特点：断口比较光滑并分布有贝纹线 （沙滩花样）
铸铁、铸钢、高强度钢，看不到贝纹线 产生：由载荷变动引起，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， 使裂纹前沿线留下的弧状痕迹。
★ 最终断裂区
为疲劳断裂的起源。
图3-43 缺口附近的应力分布
应力峰引起疲劳断裂的可能
性特别大。在低应力疲劳中应力 峰的存在 , 使屈服局部化 , 往往 是极为有害的。
材料的应力水平越高，缺 口对疲劳强度的削弱越大。
用高强度钢制造的构件应 当特别注意缺口对疲劳强度的 削弱作用。
图3-44 尖锐缺口对疲劳强度的影响
1) 断口的宏观形貌
三个区域：裂纹起源区、裂纹扩展区和最终断裂区(瞬断区)。
图-3-32 疲劳断口的宏观形貌
★ 裂纹起源区
裂纹萌生的策源地，位于材料表面、 次表面或内部应力集中处或缺陷部位， 光滑、细洁的扇形小区域
形貌特点：光亮度最大
表面缺陷：刀痕、划伤、烧伤、锈蚀、淬火裂等； 心部或亚表面缺陷：夹杂物、气孔、夹渣、白点、内裂等； 表面硬化层：表面淬火层、化学热处理层； 应力集中部位: 缺口、沟槽、台阶、尖角、小孔、突变截面 等。
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
★ 轮胎压痕花样 • 类似车胎的压痕，是疲劳断口上最小的特征花样不是疲
劳本身的形态，却是疲劳断裂的一个表征。
图3-41 不锈钢气阀头疲劳断口上的轮胎压痕花样
与第二相有关：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
根据源区的光亮度、相邻疲劳区的大小和贝纹线密度确定
起源点：磨光区中磨得最平整的地 方，几个磨光区，疲劳条纹密度大， 最早裂纹源 条纹扩展：条纹更稀更粗
判断应力大小
终断区在中心，疲劳断裂应力 很高，超过疲劳极限的30％～ 100%，一般n≤3×105 次； 终断区在表面或近表面，疲劳 断裂应力高出疲劳极限不多， 最多高出10％左右，一般 n≥106 次； 终断区的面积大，则应力大； 反之则应力小。
④ 疲劳断口的微观范围内，
通常由许多大小不同、高 低不同的小断片组成。疲 劳辉纹均匀分布在断片上， 每一小断片上的疲劳辉纹 连续且相互平行分布，但 相邻断片上的疲劳辉纹不 连续、不平行。
图3-39 疲劳辉纹与小断片示意图
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
⑤ 一条辉纹代表一次载荷循环，其数目与载荷循环次数相等。
表面淬火、渗碳和氮化等表面热处理，喷丸、表面滚压、 冷拔、挤压和抛光等机械加工, 都产生有利的残余压应力。 工程上常用这些方法提高构件的疲劳抗力。
5）材料的成分和组织
在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。
在结构钢中，疲劳强度随着含碳量增加而增高，钼、铬 和镍等也有相似的效应 。
冶金缺陷是指材料中的非金属夹杂物、气泡、元素的偏 析，等等。存在于表面的夹杂物是应力集中源，会导致夹 杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂纹。
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
图
判断材料的缺口敏感性
3-34
缺
口
材料对缺口不敏感，则疲劳
敏
条纹绕着裂源或为向外凸起的同
感 性
心圆状------低碳钢
对 疲
劳
材料对缺口敏感，则疲劳条
断
纹绕着裂源开始较为平坦，向前
口
扩展一定距离后即以反弧形向前
形 态
扩展
的
影
响
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
判断负荷类型
负荷类型、应力集中程度和负荷大小对疲劳断口形态的影响
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
其它特征： • 疲劳断片 • 疲劳台阶 • 二次裂纹
钢板疲劳裂纹断口形貌
疲劳裂纹的断口特征 (1) 有裂纹源、裂纹扩展区和断裂区三个部分； (2) 裂纹扩展区断面较光滑， 即 “海滩条带”形貌; (3) 裂纹起裂在高应力应力区或材料缺陷处； (4) 与静载断裂相比，没有明显的塑性变形。
疲劳断裂与静态断裂有明显的不同，它不会产生明显的塑性 变形，断裂是突发的，故危害性较大
减少夹杂物的数量、减小夹杂物的尺寸和改善夹杂物的形 状都能有效提高疲劳强度。(如采用真空冶炼和真空浇注等)
6）工作条件
构件服役的环境条件对疲劳断裂也有很大影响。其中载 荷频率、次载锻炼、间歇运行以及服役环境的温度及介质情 况都是主要的。
① 载荷频率的影响
载荷频率在一定范围 内可以提高疲劳强度。
② 次载锻炼的影响 低于疲劳极限的应力叫次载。
裂交替作用的复杂过程，通常有切向扩展和正向扩展两个阶段。
(a) 疲劳裂纹扩展示意图 (b) 螺栓实际使用中的疲劳裂纹 图3-30 疲劳裂纹扩展的两个阶段
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 与拉伸轴约成45角，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
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别： 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
疲劳辉纹特征：
① 疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，
呈波浪状，并与裂纹微观扩展方向相垂直； 裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧； 辉纹的间距在很大程度上与外加交变负荷的大小有关(随 循环应力强度因子振幅)； 条纹的清晰度则取决于材料的韧性。