第5章疲劳

②按应力状态： 弯曲疲劳、扭转疲劳、拉－压疲劳等 ③按环境和接触情况： 腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲 劳等； ④按载荷类型 切断疲劳与正断疲劳
一、基本形式
1、切断疲劳 切应力 >缺口切断强度→萌生裂纹 源区→平面应力状态→沿应力轴45°,沿 滑移面方向扩展 因FCC单相材料正断强度 > 切断强度，所 以裂纹早期、晚期扩展以这种方式 低强度高塑性材料→大应力幅、加载速 度快以此种方式 薄壁件→以此种方式



通常在表面缺陷处起裂→向对面扩展 内部有缺陷→内部起裂→弧带为圆形→瞬断 区在外侧。 应力集中大→多源或凹弧线；瞬断区椭圆形 载荷大→瞬断区大
返回
（2）弯曲疲劳

交变单弯（机翼大梁、悬臂构件）
位置→与轴线90° 源→无应力集中在最大拉应力处或缺陷处 应力→高→多源、疲劳区小、弧线弯；低 应力→反之 应力集中大→弧线凹 负荷大→瞬断区大 塑性差→瞬断区大 温度低→瞬断区大
采用弹性垫片→消除振动 加大相对运动振幅→旋转运动结构 采用异种材料→降低粘着倾向 表面处理→镀膜；化学热处理

案例：航空发动机叶片


根部与涡轮盘固定→尾部因环形气流→激 振→可能发生共振→属于高频、低应力疲 劳→特征同前 接近设计转速→工作中偶然振动→迫使叶 片振动加剧→引起更大的激振气动力→恶 性循环→振幅加大→颤振→属于高应力低 周疲劳→特征同前

6、环境 高温→滑移增加→疲劳强度降低 腐蚀→疲劳强度降低 7、载荷 次载锻炼→疲劳强度升高 复杂循环载荷，加载方式→影响寿 命
二、预防措施
1、延缓裂纹萌生 喷丸、细化晶粒、形变热处理、表面淬 火、渗碳…… →产生压应力→阻止裂纹 发展 渗N→表面残余压应力最大；渗C、表面 淬火→次表层残余压应力最大 2、降低裂纹扩展速率 裂纹前沿钻孔法 表面裂纹刮磨修理法 增加有效截面或补金属→降低应力→阻 止裂纹
（1）辉纹

密度


初期密而直、一定间距、平行、垂直扩展方向， 与载荷循环对应。应力幅大→粗。 与宏观海滩花样实质相同。 直线、弧线、S形（碳化物阻碍、改变方向） 组织不同→粗细不均匀

清晰度


张开性裂纹出现； fcc 明显。 合金结构钢→稀少、短、不连续、分布不均匀 载荷小、高强度钢、低频率疲劳、加工硬化大、 腐蚀环境→不明显
案例
在锅炉、汽轮机、航空发动机等零件的 强度计算时，传统观点：多用蠕变强度 或高温疲劳等性能数据作为设计、计算。 实际是热疲劳引起破坏。 造成此类零件或构件热疲劳原因： 1）存在温度梯度，如蒸气锅炉管道、涡轮 盘等； 2）存在温度差； 3）膨胀系数不同，如铁素体钢与奥氏体钢 的焊接等

§4疲劳断裂的原因与预防
一、原因 1、设计

结构孔、槽、螺纹……→应力集中过大 合理设计、喷丸、滚压（应力疲劳有效）、 表面热处理→改善 粗糙度对静强度影响不大，对疲劳→明显 疲劳极限高、材料强度高→粗糙度影响大
2、机械加工

3、材料及组织状态
选材不当 组织不良（晶粒粗大、脱碳、夹杂缺陷） 表面热处理→改善 4、尺寸大→疲劳强度降低 5、装配 应力大→塑性变形→疲劳强度降低 应力小→孔隙→擦伤→裂纹
位置 中心（载荷大、应力集中），或单侧（取决于载 荷类型） 形貌


脆性材料：结晶状、放射状或人字纹，与主应力垂直 ； 塑性材料：纤维状，并出现450剪切唇口区。
起重机轮子的疲围绕疲劳区的是瞬断区， 具有人字型条纹。
二、各区域位置与形状 （1）拉压（连杆）
3、机理
先腐蚀→形成膜→交变应力→膜破坏→阳极溶解→ 腐蚀→起裂→介质+应力→腐蚀疲劳
4、断口特征


裂纹源：多源，从腐蚀坑底部形成。可在晶内或 晶界处萌生，常成群出现。 穿晶解理脆性疲劳条纹。
5、裂纹

裂纹外宽内窄，成楔形；通常穿晶。 多条裂纹、成群、较宽，加载频率低→沿 晶
镀Zn、Ni；表面处理……
1、高周疲劳 5 N >10 ；σ<σs 断面大部分为疲劳扩展区 细小辉纹+前述特征 2、低周疲劳 N < 104；低频；σ≥σs 多源；断口粗；与静载断口相似 超高强度钢→无辉纹→沿晶+微孔 有时扩展区局部出现轮胎花样 高温→容易变形→辉纹明显、并有二次裂纹
3、振动疲劳
3、特征 高温、高应变→疲劳 多源，表面起裂（刀痕、孔、 缺口……），表面龟裂或平行裂 纹 裂纹两侧因高温氧化，合金元 素贫化，故显微硬度低于基体
断口



宏观断口深灰色，有氧化物覆盖 微观断口→韧窝底部有辉纹（粗大）。氧 化严重→花朵状（氧化膜龟裂）。 沿晶（高温）或穿晶裂纹，裂纹内有氧化 物 材料热疲劳性能好→穿晶，反之→沿晶
（3）疲劳沟线


不同裂纹源→汇合→台阶（一次沟线） 扩展区裂纹 → 遇到硬质点 → 质点前沿应 力集中→破裂→二次沟线 非河流，不在解理面上 与辉纹垂直
（4）二次裂纹
平行辉纹或在其中，在稳定扩展区细， 快速扩展区加粗。机理不详。
（5）静载花样


低周、高应力 高周疲劳中、后期 →裂纹尖端→塑性 变形→韧窝 高强度钢、厚度大、 脆性材料+应力高
（3）扭转疲劳

正断




通常表面起裂，与轴线45°，最大正应力引 起 单向扭转→螺旋状 单向扭转+缺口→棘轮花样，因螺纹退刀槽应 力集中，台肩处产生六个疲劳源。 双向扭转→星形，裂纹在花键凹槽尖角应力集 中处产生，并沿与最大正应力垂直方向扩展， 并在轴中央汇合。 双向扭转+应力集中→锯齿花样 （双向电机轴）
4、影响因素 温度升高→容易发生 两种工作材料膨胀系数不同→容易发生 晶界脆性相析出→容易发生 结构约束变形大→容易发生 晶粒不均匀、粗大→容易发生；等轴晶 粒好 铸态成分偏析
5、措施



合理设计→减少应力集中、温差 选热疲劳性能好的材料→热模具钢选材中 Cr钢优于3Cr2W8V 适当细化晶粒、兼顾creep性能 表面防护，例如叶片渗铝
第五章、疲劳断裂失效分析

各种疲劳断裂特征 影响因素 改进方法
§1疲劳断裂失效的基本形式和特征
不同方法分类： ① 按断裂寿命和应力高低： 5 高周疲劳：寿命高 Nf ＞10 ，应力低（σ ＜σs），也称低应力疲劳，一般疲劳多属 于此类。 2 5 低周疲劳：寿命低 Nf =10 ～ 10 ，应力 高（σ>σs ），常有塑性应变，也称高应力 疲劳或应变疲劳。
6、措施
不锈钢消声器使用断裂，脆性辉纹
案例
安全阀弹簧使用1 年，在水与水蒸汽 交界处断裂。 成分、热处理、硬 度都合格。 检查断口形貌、金 相、裂纹形态。 判据？

三、热疲劳
1、过程 温度梯度→热应力循环→材料胀缩→ 应变→损伤（热模具、锅炉设备） 2、原因 高温、长时间→组织变化→材料脆化。 机理不十分清楚，通常认为是蠕变+疲 劳损伤造成。


切断 断面平行或垂直轴线，最大切应力 引起 容易出现疲劳弧线 混合断裂 沿最大切应力方向开裂，沿最大正 应力方向扩展，截面台阶状
三、疲劳断口微观分析


辉纹 轮胎花样 疲劳构线（台阶） 二次裂纹 不规则的表面特征 穿晶或沿晶。高温、低温、腐蚀、应力 大→沿晶 静载花样
2、正断疲劳



正应力致断，初始裂纹与应力轴垂直 裂纹尖端→平面应变状态、 应力集中严重的面→出现 通常BCC材料裂纹扩展中、后期出现 高强度、低塑性、粗截面、小应力幅、 低速加载、腐蚀环境、低温→容易出现
3、混合疲劳
以上两种形式同时出现
二、疲劳的一般特征（高周）
1、突发性：三个区，无明显塑性变形 2、低交变载荷 3、损伤积累 裂纹萌生孕育期与应力幅、应力集中、材料 质量、温度、介质、试样形状等有关 4、对材料缺陷、表面状态极其敏感 5、对腐蚀敏感
辉纹类型

塑性辉纹

连续、一个方向弯曲 真空→不明显

脆性辉纹
裂纹沿解理平面扩展，尖端塑性变形很小。
辉纹+河流花样（与扩展方向一致）。 脆性材料或高强度塑性材料（腐蚀环境下）
→容易出现。 Fcc不发生解理→不出现脆性疲劳辉纹。
（2）轮胎花样


疲劳裂纹形成后→压应力作用 → 凸出硬质点（切变位移）→擦痕 压缩载荷→ 出现 与辉纹平行，不是疲劳本身形貌 低周疲劳容易出现。 压应力过大或过小→不出现
高应力作用（低周或高周瞬断区）的 韧窝+辉纹
判定

宏观与微观结合 工作状态 材料不同→特征有差异
源区
瞬断 区
失效分析案例



例：模锻机锤杆， 40Cr钢经调质，使用 一个月断裂 服役条件：工作时， 承受大压－小拉，但 并不绝对垂直，存在 附加的弯曲应力。 断口分析：疲劳源始 于？
4、接触疲劳（磨损疲劳）


产生：循环接触压应力→局部剥落（滚动 轴承、齿轮、车轮） 特征



表面、次表面麻点；剥落 源区→疲劳台阶 辉纹因摩擦断续、不清楚 介于疲劳于磨损之间的破坏方式

影响因素 表面、夹杂、应力集中、润滑、载荷……
轴承滚道表面剥落
二、腐蚀疲劳
1、工作条件：腐蚀环境+交 变载荷 2、特点 任何金属均可能发生 不存在疲劳极限 疲劳、腐蚀特征兼有，加 载频率低→趋于SCC 低频、低载→腐蚀速度跟 得上→发生 无需特定介质，在空气中 也发生 温度升高、介质浓度升高 →发生