疲勞斷裂的基本形式和特征

疲勞斷裂是金屬構(gòu)件斷裂的主要形式之一，在金屬構(gòu)件疲勞斷裂失效分析基礎(chǔ)上形成和發(fā)展了疲勞學(xué)科。自從W?hler的經(jīng)典疲勞著作發(fā)表以來(lái)，人們充分地研究了不同材料在各種不同載荷和環(huán)境條件下試驗(yàn)時(shí)的疲勞性能。盡管大多數(shù)工程技術(shù)人員和設(shè)計(jì)人員已經(jīng)注意到疲勞問(wèn)題，而且已積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前仍然有許多設(shè)備和機(jī)器發(fā)生疲勞斷裂。

疲勞設(shè)計(jì)現(xiàn)在已從無(wú)限壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到有限壽命設(shè)計(jì)。零件、構(gòu)件和設(shè)備的壽命估算，已成為疲勞強(qiáng)度的一個(gè)重要組成部分。疲勞已從一個(gè)古老的概念發(fā)展成為材料科學(xué)、力學(xué)和工程設(shè)計(jì)相結(jié)合的一門(mén)新興學(xué)科——疲勞強(qiáng)度。

疲勞斷裂的基本形式和特征

1 疲勞斷裂失效的基本形式

機(jī)械零件疲勞斷裂失效形式很多：

按交變載荷的形式不同可分為：拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞等；

按疲勞斷裂的總周次的大小 （Nf）可分為：高周疲勞 （Nf＞10?） 和低周疲勞 （Nf＜10?）；

按零件服役的溫度及介質(zhì)條件可分為：機(jī)械疲勞（常溫、空氣中的疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。

但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂，都是由這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。

（1） 切斷疲勞失效

切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引起疲勞初裂紋萌生的力學(xué)條件是：切應(yīng)力/缺口切斷強(qiáng)度≥1；正應(yīng)力/缺口正斷強(qiáng)度＜1。

切斷疲勞的特點(diǎn)：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)為平面應(yīng)力狀態(tài)；初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成45o角，并沿其滑移面擴(kuò)展。

由于面心立方結(jié)構(gòu)的單相金屬材料的切斷強(qiáng)度一般略低于正斷強(qiáng)度，而在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性系數(shù)）分別為2.0、0.5、0.8，所以對(duì)于這類材料，其零件的表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞初裂紋，絕大多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。低強(qiáng)度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及較高的溫度條件，都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。

（2） 正斷疲勞失效

正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件是：正應(yīng)力/缺口正斷強(qiáng)度≥1，切應(yīng)力/缺口切斷強(qiáng)度＜1。

正斷疲勞的特點(diǎn)：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)為平面應(yīng)變狀態(tài)；初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展。

大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以此種形式進(jìn)行的。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生。高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。

2 疲勞斷裂失效的一般特征

金屬零件在使用中發(fā)生的疲勞斷裂具有突發(fā)性、高度局部性及對(duì)各種缺陷的敏感性等特點(diǎn)。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般很低，斷口上經(jīng)?？捎^察到特殊的、反映斷裂各階段宏觀及微觀過(guò)程的特殊花樣。

（1） 疲勞斷裂的突發(fā)性

疲勞斷裂雖然經(jīng)過(guò)疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)元過(guò)程，但是由于斷裂前無(wú)明顯的塑性變形和其它明顯征兆，所以斷裂具有很強(qiáng)的突發(fā)性。即使在靜拉伸條件下具有大量塑性變形的塑性材料，在交變應(yīng)力作用下也會(huì)顯示出宏觀脆性的斷裂特征，因而斷裂是突然進(jìn)行的。

（2） 疲勞斷裂應(yīng)力很低

循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)為幅值一般遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限和屈服極限。例如，對(duì)于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞來(lái)說(shuō)，經(jīng)10?次應(yīng)力循環(huán)破斷的應(yīng)力僅為靜彎曲應(yīng)為的20～40%；對(duì)于對(duì)稱拉壓疲勞來(lái)說(shuō)，疲勞破壞的應(yīng)力水平還要更低一些。對(duì)于鋼制構(gòu)件，在工程設(shè)計(jì)中采用的近似計(jì)算公式為：

或

（3） 疲勞斷裂是一個(gè)損傷積累的過(guò)程

疲勞斷裂不是立即發(fā)生的，往往經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間才完成。疲勞初裂紋的萌生與擴(kuò)展均是多次應(yīng)力循環(huán)損傷積累的結(jié)果。

在工程上，通常把試件上產(chǎn)生一條可見(jiàn)的初裂紋的應(yīng)力循環(huán)周次 （N0）或?qū)0 與試件的總壽命Nf 的比值 （N0/Nf ） 作為表征材料疲勞裂紋萌生孕育期的參量。疲勞裂紋萌生的孕育期與應(yīng)力幅的大小、試件的形狀及應(yīng)力集中狀況、材料性質(zhì)、溫度與介質(zhì)等因素有關(guān)。

（4） 疲勞斷裂對(duì)材料缺陷的敏感性

金屬的疲勞失較具有對(duì)材料的各種缺陷均為敏感的特點(diǎn)。因?yàn)槠跀嗔芽偸瞧鹪从谖⒘鸭y處。這些微裂紋有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造過(guò)程中留下的，有的則是使用過(guò)程中產(chǎn)生的。

部分材料的N0/Nf值

各因素對(duì)N0/Nf值影響的趨勢(shì)

（5） 疲勞斷裂對(duì)腐蝕介質(zhì)的敏感性

金屬材料的疲勞斷裂除取決于材料本身的性能外，還與零件運(yùn)行的環(huán)境條件有著密切的關(guān)系。對(duì)材料敏感的環(huán)境條件雖然對(duì)材料的靜強(qiáng)度也有一定的影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)得顯著。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在腐蝕環(huán)境下材料的疲勞極限較在大氣條件下低得多，甚至就沒(méi)有所說(shuō)的疲勞極限。

疲勞斷口形貌及其特征

1 疲勞斷口的宏觀形貌及其特征

由于疲勞斷裂的過(guò)程不同于其他斷裂，因而形成了疲勞斷裂特有的斷口形貌，這是疲勞斷裂分析時(shí)的根本依據(jù)。

典型的疲勞斷口的宏觀形貌結(jié)構(gòu)可分為疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)及瞬時(shí)斷裂區(qū)等五個(gè)區(qū)域。一般疲勞斷口在宏觀上也可粗略地分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三個(gè)區(qū)域，更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)兩個(gè)部分。大多數(shù)工程構(gòu)件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察到三個(gè)區(qū)域，因此這一劃分更有實(shí)際意義。

2 疲勞斷口的微觀形貌特征

（1） 疲勞斷裂的微觀形貌特征

疲勞斷口微觀形貌的基本特征是，在電子顯微鏡下觀察到的條狀花樣，通常稱為疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋等。疲勞輝紋是具有一定間距的、垂直于裂紋擴(kuò)展方向、明暗相交且互相平行的條狀花樣 。

延性疲勞輝紋：是指金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端金屬發(fā)生較大的塑性變形。疲勞條痕通常是連續(xù)的，并向一個(gè)方向彎曲成波浪形。通常在疲勞輝紋間存在有滑移帶，在電子顯微鏡下可以觀察到微孔花樣。高周疲勞斷裂時(shí)，其疲勞輝紋通常是延性的。

脆性疲勞輝紋：是指疲勞裂紋沿解理平面擴(kuò)展，尖端沒(méi)有或很少有塑性變形，故又稱解理輝紋。在電子顯微鏡下既可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞輝紋，又可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向一致的河流花樣及解理臺(tái)階。脆性金屬材料及在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的高強(qiáng)度塑性材料發(fā)生的疲勞斷裂，或緩慢加載的疲勞斷裂中，其疲勞輝紋通常是脆性的。

（1） 疲勞斷裂性質(zhì)的判別

為了進(jìn)一步分析載荷性質(zhì)及環(huán)境條件等因素的影響，有必要利用斷口的微觀特征對(duì)零件疲勞斷裂的具體類型作進(jìn)一步判別。

高周疲勞斷裂性質(zhì)的判別

高周疲勞斷口的微觀基本特征是細(xì)小的疲勞輝紋。此外，有時(shí)尚可看到疲勞溝線和輪胎花樣。依此即可判斷斷裂的性質(zhì)是高周疲勞斷裂。但要注意載荷性質(zhì)、材料結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的影響。

低周疲勞斷裂性質(zhì)的判別

低周疲勞斷口的微觀基本特征是，粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與微孔花樣。同樣，低周疲勞斷口的微觀特征隨材料性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件的不同而有很大差別。

對(duì)于超高強(qiáng)度鋼，在加載頻率較低和振幅較大的條件下，低周疲勞斷口上可能不出現(xiàn)疲勞輝紋，而代之以沿晶斷裂和微孔花樣為特征。

熱穩(wěn)定不銹鋼的低周疲勞斷口上除具有典型的疲勞輝紋外，常出現(xiàn)大量的粗大滑移帶及密布著細(xì)小二次裂紋。

高溫條件下的低周疲勞斷裂，由于塑性變形容易，一般其疲勞輝紋更深、輝紋輪廓更為清晰，并且在輝紋間隔處往往出現(xiàn)二次裂紋。

振動(dòng)疲勞斷裂性質(zhì)的判別

金屬微振疲勞斷口的基本特征是細(xì)密的疲勞輝紋，金屬共振疲勞斷口的特征與低周疲勞斷口相似。但在疲勞裂紋的起始部位通?？梢钥吹侥p的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色的粉末（鋼鐵材料為褐色；鋁、鎂材料為黑色）。

腐蝕疲勞斷裂性質(zhì)的判別

腐蝕疲勞斷口上的疲勞輝紋比較模糊，二次裂紋較多并具泥紋花樣。

碳鋼、銅合金的腐蝕疲勞斷裂多為沿晶分離；奧氏體不銹鋼和鎂合金等多為穿晶斷裂；Ni-Cr-Mo鋼在空氣中多呈穿晶斷裂，而在氫氣和H2S氣氛中多為沿晶或混晶斷裂。加載頻率低時(shí)，腐蝕疲勞易出現(xiàn)沿晶分離斷裂。

金屬熱疲勞斷裂性質(zhì)的判別

金屬熱疲勞斷裂的微觀特征是多為粗大的疲勞輝紋，或粗大的疲勞輝紋加微孔花樣，并且其上多有一層氧化物。

接觸疲勞斷裂性質(zhì)的判別

接觸疲勞斷口和磨損疲勞斷口特征基本相同，其疲勞輝紋均因摩擦而呈現(xiàn)斷續(xù)狀和不清晰特征。

金屬零件的疲勞斷裂失效

1 疲勞斷裂的形式

（1） 彎曲疲勞斷裂

金屬零件在交變的彎曲應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞三類。其共同點(diǎn)是初裂紋一般源于表面，然后沿著與最大正應(yīng)力垂直的方向向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)剩余截面不能承受外加載荷時(shí)，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂。

單向彎曲疲勞斷裂

像吊車懸臂之類的零件，在工作時(shí)承受單向彎曲負(fù)荷。承受脈動(dòng)的單向彎曲應(yīng)力的零件，其疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè)的表面上。疲勞核心一般為一個(gè)，斷口上可以看到呈同心圓狀的貝紋花樣，且呈凸向。最后斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對(duì)面，外圍有剪切唇。

構(gòu)件的次表面存在較大缺陷時(shí)，疲勞核心也可能在次表面產(chǎn)生。在受到較大的應(yīng)力集中的影響時(shí)，疲勞孤線可能出現(xiàn)反向（呈凹狀），并可能出現(xiàn)多個(gè)疲勞源區(qū)。

雙向彎曲疲勞斷裂

某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應(yīng)力的作用。零件在雙向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂，其疲勞源區(qū)可能在零件的兩側(cè)表面，最后斷裂區(qū)在截面的內(nèi)部。兩個(gè)疲勞核心并非同時(shí)產(chǎn)生，擴(kuò)展速度也不一樣，所以斷口上的疲勞斷裂區(qū)一般不完全對(duì)稱。材料的性質(zhì)、負(fù)荷的大小、結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境因素等都對(duì)斷口的形貌有影響，其趨勢(shì)與單向彎曲疲勞斷裂基本相同。

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂

許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂時(shí)，疲勞源區(qū)一般出現(xiàn)在表面，但無(wú)固定地點(diǎn)，疲勞源的數(shù)量可以是一個(gè)也可以是多個(gè)。疲勞源區(qū)和最后斷裂區(qū)相對(duì)位置一般總是相對(duì)于軸的旋轉(zhuǎn)方向而逆轉(zhuǎn)一個(gè)角度。由此可以根據(jù)疲勞源區(qū)與最后斷裂區(qū)的相對(duì)位置推知軸的旋轉(zhuǎn)方向。

當(dāng)軸的表面存在較大的應(yīng)力集中時(shí)，可以出現(xiàn)多個(gè)疲勞源區(qū)。此時(shí)最后斷裂區(qū)將移至軸件的內(nèi)部。

（2） 拉壓疲勞斷裂

拉壓疲勞斷裂最典型的例子是各種蒸汽錘的活塞桿在使用中發(fā)生的疲勞斷裂。在通常情況下，拉壓疲勞斷裂的疲勞核心多源于表面而不是內(nèi)部，這一點(diǎn)與靜載拉伸斷裂時(shí)不同。但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在有明顯的缺陷時(shí)，疲勞初裂紋將起源于缺陷處。此時(shí)，在斷口上將出現(xiàn)兩個(gè)明顯的不同區(qū)域，一是光亮的圓形疲勞區(qū)（疲勞核心在此中心附近）；二是瞬時(shí)斷裂區(qū)。在疲勞區(qū)內(nèi)一般看不到疲勞弧線，而在瞬時(shí)斷裂區(qū)具有明顯的放射花樣。

應(yīng)力集中和材料缺陷將影響疲勞核心的數(shù)量及其所在位置，瞬時(shí)斷裂區(qū)的相對(duì)大小與負(fù)荷大小及材料性質(zhì)有關(guān)。

（3） 扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂

各類傳動(dòng)軸件的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的斷口形貌主要有三種類型：

正向斷裂

斷裂表面與軸向成45°角，即沿最大正應(yīng)力作用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)時(shí)為螺旋狀；雙向扭轉(zhuǎn)時(shí)，其斷裂面呈星狀；應(yīng)力集中較大的呈鋸齒狀。

切向斷裂

斷面與軸向垂直，即沿著最大切應(yīng)力所在平面斷裂，橫斷面齊平。

混合斷裂

橫斷面呈階梯狀，即沿著最大切應(yīng)力所在平面起裂并在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展引起的斷裂。正向斷裂的宏觀形貌一般為纖維狀，不易出現(xiàn)疲勞弧線；切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。

（4） 振動(dòng)疲勞斷裂

許多機(jī)械設(shè)備及其零部件在工作時(shí)往往出現(xiàn)在其平衡位置附近作來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)在許多情況下都是有害的，它除了產(chǎn)生噪音和有損于建筑物的動(dòng)負(fù)荷外，還會(huì)顯著降低設(shè)備的性能及工作壽命。由往復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的斷裂稱為振動(dòng)疲勞斷裂。

當(dāng)外部的激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)激烈的共振現(xiàn)象。共振疲勞斷裂是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)疲勞斷裂的主要形式，除此之外，尚有顫振疲勞及喘振疲勞。

振動(dòng)疲勞斷裂的斷口形貌與高頻率低應(yīng)力疲勞斷裂相似，具有高周疲勞斷裂的所有基本特征。振動(dòng)疲勞斷裂的疲勞核心一般源于最大應(yīng)力處，但引起斷裂的原因，主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。因而應(yīng)通過(guò)改變構(gòu)件的形狀、尺寸等調(diào)整設(shè)備的自振頻率等措施予以避免。

（5） 接觸疲勞

2 疲勞斷裂原因分析

（1） 零件的結(jié)構(gòu)形狀

零件的結(jié)構(gòu)形狀不合理，主要表現(xiàn)在該零件中的最薄弱的部位存在轉(zhuǎn)角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過(guò)大的應(yīng)力集中，疲勞微裂紋最易在此處萌生。

（2） 表面狀態(tài)

不同的切削加工方式（車、銑、刨、磨、拋光）會(huì)形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖銳程度的小缺口。這種小缺口與零件幾何形狀突變所造成的應(yīng)力集中效果是相同的。由于表面狀態(tài)不良導(dǎo)致疲勞裂紋的形成是金屬零件發(fā)生疲勞斷裂的另一重要原因。

（3） 材料及其組織狀態(tài)

材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過(guò)程中，由于管理不善而錯(cuò)用材料造成的疲勞斷裂也時(shí)有發(fā)生，金屬材料的組織狀態(tài)不良是造成疲勞斷裂的常見(jiàn)原因。一般的說(shuō)，回火馬氏體較其它混合組織，如珠光體加馬氏體及貝氏體加馬氏體具有更高的疲勞抗力；鐵素體加珠光體組織鋼材的疲勞抗力隨珠光體組織相對(duì)含量的增加而增加；任何增加材料抗拉強(qiáng)度的熱處理通常均能提高材料的疲勞抗力。組織的不均勻性，如非金屬夾雜物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲勞抗力降低而成為疲勞斷裂的重要原因。

（4） 裝配與聯(lián)接效應(yīng)

裝配與聯(lián)接效應(yīng)對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命有很大的影響。正確的擰緊力矩可使其疲勞壽命提高5倍以上。容易出現(xiàn)的問(wèn)題是，認(rèn)為越大的擰緊力對(duì)提高聯(lián)接的可靠性越有利，使用實(shí)踐和疲勞試驗(yàn)表明，這種看法具有很大的片面性。

（5） 使用環(huán)境

環(huán)境因素（低溫、高溫及腐蝕介質(zhì)等）的變化，使材料的疲勞強(qiáng)度顯著降低，往往引起零件過(guò)早的發(fā)生斷裂失效。例如鎳鉻鋼（0.28％C，11.5％ Ni，0.73％Cr），淬火并回火狀態(tài)下在海水中的條件下疲勞強(qiáng)度大約只是在大氣中的疲勞極限的20％。

審核編輯 ：李倩