疲劳裂纹特征
疲劳破坏特征
疲劳破坏特征
疲劳是指物体在受到重复加载或振动后逐渐失效的过程。
在工程材料和结构中，疲劳破坏是一种常见的失效形式，它会导致材料和结构的性能下降甚至失效。
疲劳破坏特征是指在材料或结构受到疲劳加载后出现的一些特征性破坏形态，了解这些特征对于预防疲劳破坏具有重要意义。
一、疲劳裂纹
疲劳裂纹是疲劳破坏的主要特征之一。
在材料或结构受到重复加载后，裂纹会逐渐形成并扩展，最终导致疲劳失效。
疲劳裂纹的形成和扩展是一个渐进的过程，通常会在材料的表面或表面下形成裂纹，然后逐渐扩展至整个截面，最终导致失效。
因此，对于疲劳裂纹的监测和控制至关重要。
二、表面粗糙度增加
在疲劳加载下，材料表面的粗糙度会逐渐增加。
这是因为疲劳加载会导致微观裂纹的形成和扩展，进而导致表面的粗糙度增加。
当表
面粗糙度增加到一定程度时，会导致应力集中和疲劳裂纹的形成，加剧了疲劳破坏的发展。
三、变形增加
在疲劳加载下，材料或结构的变形会逐渐增加。
这是因为疲劳加载会导致材料的塑性变形，进而导致变形增加。
随着变形的增加，材料或结构的强度和刚度会逐渐下降，最终导致疲劳失效。
综上所述，疲劳破坏特征包括疲劳裂纹的形成和扩展、表面粗糙度的增加以及变形的增加。
了解这些特征对于预防疲劳破坏具有重要意义，可以通过监测和控制这些特征来延缓疲劳失效的发生，提高材料和结构的使用寿命。
简述疲劳破坏的特征。
简述疲劳破坏的特征。
疲劳破坏是指在受到反复加载或应力循环作用后，物体出现的裂纹、断裂或变形等损坏，其特征包括以下几个方面：
1. 显微观结构上，疲劳裂纹呈现出疲劳条纹，即将物体截面切割后，可以看到呈现出一系列平行的条纹状裂纹。
2. 疲劳破坏具有随机性，其形成是由于一系列微小的应力过程积累造成的，因此疲劳裂纹的形态和分布是随机的，不同的物体在疲劳破坏时呈现出不同的形态和特征。
3. 疲劳破坏通常发生在物体的表面或者近表面处，这是由于物体表面的表面缺陷、应力集中等缺陷容易导致裂纹的形成与扩展。
4. 疲劳破坏的速度通常比较慢，其发生的过程一般需要数万次甚至数百万次的应力循环才能造成显著的破坏，但在某些情况下，疲劳裂纹的扩展速度却非常快。
5. 疲劳破坏是可以预测和控制的，通过对物体疲劳性能的检测、分析和评估，可以制定出适当的疲劳试验和评估标准，来预测和控制物体的疲劳破坏。
- 1 -。
疲劳断裂的基本特征
疲劳断裂的基本特征疲劳断裂是一种金属和材料在长时间的应力作用下逐渐产生裂纹并最终失效的现象。
它是一种破坏行为，常见于机械结构和工程材料中。
疲劳断裂的基本特征包括裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏。
疲劳断裂的形成通常经历三个阶段。
首先是应力集中，也就是在材料表面或内部出现应力集中的区域。
这种应力集中可以由缺陷、凹槽、划痕等引起。
其次是裂纹的形成，应力集中区域的材料开始发生微小的裂纹，这些裂纹通常是微观的，难以察觉。
最后是裂纹的扩展，随着应力的作用，裂纹逐渐扩展，最终导致材料的失效。
疲劳断裂的特点是裂纹的扩展是一个渐进性的过程。
在应力作用下，裂纹从微小到逐渐扩展，直到达到材料的强度极限。
这个过程被称为裂纹的扩展阶段。
裂纹扩展的速度受到多个因素的影响，包括应力水平、应力周期、材料的力学性能等。
一般来说，应力水平越高、应力周期越大、材料的力学性能越差，裂纹扩展的速度越快。
疲劳断裂的失效破坏通常是突然发生的。
在裂纹扩展到一定程度后，材料的强度将急剧下降，裂纹会迅速扩展并导致材料的失效。
这种失效破坏是突然发生的，没有明显的预警信号。
因此，对于承受疲劳载荷的结构和材料，必须进行定期的检测和维护，以防止疲劳断裂的发生，确保结构的安全性。
为了预防和控制疲劳断裂，人们采取了许多措施。
首先是改善材料的力学性能，提高材料的韧性和强度，减少裂纹扩展的速度。
其次是设计合理的结构，避免应力集中的出现，减少裂纹的形成。
此外，还可以采用表面处理、应力涂层、热处理等方法来提高材料的抗疲劳性能。
在使用过程中，要注意控制应力水平和应力周期，避免过大的应力作用。
疲劳断裂是一种常见的材料失效形式，它具有裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏等基本特征。
了解疲劳断裂的特点，对于改善材料的抗疲劳性能、设计合理的结构以及确保结构的安全性具有重要意义。
通过采取合适的预防和控制措施，可以有效地避免疲劳断裂的发生，延长材料和结构的使用寿命。
低周疲劳断裂的断口特征
低周疲劳断裂的断口特征低周疲劳断裂是一种材料在受到循环加载时发生的断裂现象。
这种断裂是由于材料在受到循环加载过程中，经历了一系列的应力循环，导致材料内部微观缺陷的逐渐扩展和聚集，最终导致断裂的发生。
低周疲劳断裂的断口特征是研究这种断裂现象的重要手段之一。
低周疲劳断裂的断口特征可以通过断口形貌、断口表面的微观特征和断口区域的化学成分等来进行分析。
首先，断口形貌是低周疲劳断裂的一个重要特征。
在裂纹扩展的过程中，断口表面通常呈现出一定的形状，例如河谷状、韧突状、疲劳带状等。
河谷状断口是指断裂面上呈现出一系列河流状的凹槽，这是由于疲劳断裂过程中断裂面上的裂纹逐渐扩展形成的。
韧突状断口是指断裂面上呈现出一系列韧突状的突起，这是由于材料在受到疲劳加载时发生局部塑性变形形成的。
疲劳带状断口是指断裂面上呈现出一系列平行的疲劳带，这是由于疲劳裂纹在扩展过程中产生的。
其次，断口表面的微观特征也是低周疲劳断裂的一个重要特征。
断口表面通常呈现出一定的粗糙度，这是由于断裂过程中断裂面上的微观缺陷的逐渐扩展形成的。
断裂面上还可能存在一些微小的裂纹、氧化物和碎裂的微观颗粒等。
这些微观特征的存在可以提供一定的断裂机制的信息。
最后，断口区域的化学成分也可以提供一定的断裂机制的信息。
断口区域的化学成分可以通过扫描电子显微镜和能谱仪等设备进行分析。
通过分析断口区域的化学成分，可以了解材料的化学组成以及可能的杂质和缺陷等。
综上所述，低周疲劳断裂的断口特征可以通过断口形貌、断口表面的微观特征和断口区域的化学成分等来进行分析。
这些特征可以为研究低周疲劳断裂的机理提供重要的参考和依据。
通过对断口特征的分析，可以进一步了解低周疲劳断裂的机理，从而为材料的设计和使用提供指导。
简述疲劳破坏的特征
简述疲劳破坏的特征疲劳破坏（Fatigue failure）是指金属材料在长期的应力循环载荷作用下引起的裂纹、断裂现象，它是一种常见的材料失效模式。
疲劳破坏的特征主要包括以下几个方面：一、裂纹产生周期疲劳破坏通常是由于应力循环载荷的反复作用，导致材料表面出现细微的裂纹，随着应力循环的增加，这些裂纹逐渐扩展，最终导致材料失效。
通常情况下，疲劳裂纹的产生周期是短于材料的寿命，因此在材料的设计和使用过程中，必须考虑到这一特征。
二、裂纹的扩展方向疲劳破坏的裂纹通常是以不规则的方式从材料的表面或疲劳起始点开始扩展，它的扩展方向一般是垂直于应力方向或主应力方向。
裂纹扩展时会产生韧带和颗粒痕迹等特征，这些特征可以用于确定裂纹扩展的方向。
三、疲劳寿命材料的疲劳寿命是指它在特定应力水平下能够承受多少循环载荷，达到失效的临界点。
疲劳寿命通常取决于材料的性质、应力水平和应力幅值等因素，而对于同一种材料而言，其疲劳寿命会因为外部环境、加工方式和应用场合等因素而产生变化。
四、疲劳破坏模式疲劳破坏的模式可以分为疲劳裂纹扩展模式和疲劳断口模式两种。
疲劳裂纹扩展模式是指材料表面出现细微的裂纹，并随着应力的循环增加而逐渐扩展，最终导致材料失效。
而疲劳断口模式则是在裂纹扩展到临界值后，材料突然发生断裂，形成明显的疲劳断口。
不同的疲劳破坏模式对应着不同的应用场合和设备要求。
总的来说，疲劳破坏是材料工程中一个重要的失效模式，它对材料的设计和使用具有重要意义。
在工程实践中，必须认真分析疲劳破坏的特征和模式，采取相应的预防和修复措施，从而确保设备的长期、稳定运行。
铝合金疲劳断裂的断口特征
铝合金疲劳断裂的断口特征铝合金，听起来就像是个高大上的词儿，其实它在我们的生活中随处可见。
无论是手机外壳、飞机机身，还是咱们家里的锅碗瓢盆，都可能用到了铝合金。
那么，这东西咋就能用得那么广泛呢？说白了，铝合金轻巧、耐腐蚀又坚固，是个相当“靠谱”的小伙伴。
不过，俗话说“金无足赤”，铝合金也有它的软肋，那就是疲劳断裂。
今天就来唠唠这个事儿，看看铝合金的断口特征，别说，听起来就有点儿悬乎，但其实没那么复杂。
1. 什么是疲劳断裂？简单点儿说，疲劳断裂就是材料在长期受力的情况下，会发生慢慢的“累”，最后彻底崩溃。
想象一下，你连续跑步跑了好几天，膝盖总是压榨、折磨，最后也会跟你闹脾气。
铝合金也是这个道理！这种疲劳可不是一朝一夕的事儿，而是随着时间的推移，材料内部产生一些微小的裂纹，慢慢积累、扩大，最终导致断裂。
1.1 断裂的表现谈起断裂的表面，这可真是高手之作。
铝合金的疲劳断裂，往往先从一个小小的“伤口”开始，随着时间推移，裂纹越长越大，看得人心里发毛。
这种表面上呈现出的颜色和形状，跟我们平常看到的伤口似乎有些像，且裂纹的走向、深度、宽度都有差别。
嗨呀，看到这些特征，真让人不禁感叹，科技背后藏着太多故事呢。
1.2 断口特征的细节从技术角度看，这个断口通常是“一层一层”剥落的。
就像剥洋葱一样，外层炸掉之后，里面的东西也开始“出风头”。
这时候，断裂表面看到的那种粗糙感，标志着疲劳的存在。
而如果是新鲜的断裂，表面光滑得像个镜子，这就是铝合金被突然断裂的结果，嘿嘿，有点儿像一场小型的爆炸，真是让人瞠目结舌。
2. 为什么铝合金会疲劳断裂？哎，生活不易，材料也一样难。
铝合金疲劳断裂，最主要的原因就是各种应力。
不管是咱们日常使用中产生的静态应力，还是偶尔的冲击，时间久了，铝合金就像人一样，受不了的。
尤其在一些高强度环境下，铝合金真的容易变成“脆弱的小白兔”，到最后一触即发，炸成碎片。
2.1 环境因素的干扰别小看了环境因素，温度、湿度甚至是化学物质都能给铝合金带来“小麻烦”。
构件发生疲劳断裂时微观形貌特征
构件发生疲劳断裂时微观形貌特征一、引言疲劳断裂是材料科学和工程领域中一个重要的问题，它导致许多实际工程中的失效事故。
研究材料在疲劳载荷下的断裂行为及其微观形貌特征对于预防疲劳断裂具有重要的意义。
本文将探讨构件在疲劳断裂发生时的微观形貌特征。
二、疲劳断裂的基本特征1. 疲劳断裂是指在交变应力作用下，材料在较短时间内经历多次应力循环后出现断裂的现象。
2. 疲劳断裂的形貌特征包括疲劳裂纹的形态和扩展方向等。
三、微观形貌特征的分析1. 晶粒形貌特征在疲劳断裂过程中，晶粒会逐渐失去规则的排列状态，形成疲劳裂纹。
晶粒在断裂前后的形态变化对于断裂的过程和机制具有重要的意义。
2. 疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展路径是材料疲劳断裂行为中的重要特征之一。
疲劳裂纹往往呈现出交错、分叉等形态，揭示了材料在疲劳断裂过程中的特殊应力状态及其对裂纹形成的影响。
3. 微观结构的变化材料在疲劳断裂过程中，其微观结构会发生变化，如晶粒尺寸的变化、位错堆积等。
这些变化对材料的强度和断裂性能都有重要影响，因此对微观结构的研究可以揭示材料疲劳断裂的机制。
四、疲劳断裂的机制1. 晶界滑移与扩展在疲劳断裂过程中，晶界的滑移与扩展是一个重要的机制。
晶界滑移的不规则扩展对材料的疲劳性能有重要影响。
2. 前驱裂纹的形成疲劳断裂过程中，前驱裂纹的形成是一个重要的环节。
微观形貌特征的分析可以帮助揭示前驱裂纹形成的机制。
3. 微观缺陷的影响材料在制备和应力加载过程中存在着各种微观缺陷，这些缺陷对疲劳断裂的形貌特征有重要的影响。
研究微观缺陷对疲劳断裂的影响，可以为材料设计和工程应用提供重要参考。
五、研究方法1. 金相显微镜观察金相显微镜是研究材料微观形貌特征的重要工具之一，通过观察材料的金相组织和晶粒形貌特征，可以揭示材料疲劳断裂的微观机理。
2. 电镜观察电镜是研究材料微观结构和形貌特征的重要手段，其高分辨率的观察能力可以揭示材料微观形貌特征的细节。
3. 数值模拟数值模拟是研究材料断裂行为和微观形貌特征的重要方法，通过模拟材料在疲劳载荷下的行为，可以揭示材料的疲劳断裂机制和微观形貌特征。
疲劳断裂的断口特征
疲劳断裂的断口特征疲劳断裂是指材料在反复加载下发生的断裂现象，通常发生在金属材料中。
与静态加载下的断裂不同，疲劳断裂的断口特征具有一些独特的特点。
本文将详细介绍疲劳断裂的断口特征。
1.断口形态：疲劳断裂的断口通常呈现出平面状的特点。
与静态断裂相比，疲劳断裂的断口形态更为平整，几乎没有韧突。
这是因为在疲劳断裂发生时，材料受到反复加载，导致断裂表面的塑性变形局部消失，使断口面显得平滑。
2.断口特征：疲劳断裂的断口通常呈现出沿着材料加载方向的特征。
即在金属材料的拉伸方向上会出现沿着材料加载方向延展的沟槽状断裂面。
这是因为在疲劳断裂过程中，裂纹的扩展方向通常与应力主轴方向（加载方向）垂直。
断口上也常见到横向的细小裂纹。
3.层状纹理：疲劳断裂的断口表面常常呈现出层状纹理。
这是由于疲劳断裂过程中，材料内部的裂纹扩展速度会与外部加载频率一致，导致断口形成沿裂纹扩展方向的“疲劳纹”或称为“疲劳条纹”。
这些纹理一般与材料的晶粒方向垂直，并且逐渐扩展进入材料内部。
4.波纹状断口：疲劳断裂的断口表面通常呈现出波纹状的特征。
这是由于裂纹在扩展过程中会遇到不同的晶粒，在晶粒界面处会发生细小的局部塑性形变，导致断口表面呈现出波浪状。
5. 轭型断口：在一些情况下，疲劳断裂的断口会呈现出轭型（chevron）的特征。
轭型断口是指裂纹扩展迅速并呈现出V字形的形状，类似于牛轭。
这种断口形态通常出现在晶粒细小且均匀的材料中，例如高强度钢。
6.焊缝位置：在焊接结构中，疲劳断裂通常在焊缝附近发生。
这是由于焊接过程中引入了应力集中、晶界腐蚀等因素，导致焊缝附近的材料更容易发生疲劳断裂。
总之，疲劳断裂的断口特征包括平面状的断口形态、沿加载方向的断口特征、层状纹理、波纹状断口、轭型断口等。
这些断口特征能够帮助工程师分析疲劳断裂的原因，并采取相应的措施预防疲劳断裂的发生。
低周疲劳断裂的断口特征
低周疲劳断裂的断口特征
低周疲劳断裂的断口特征包括：
1. 裂纹萌生区：这是疲劳裂纹开始形成的区域。
在宏观上，这个区域可能看起来相对平滑，但在微观尺度上，这里可能会有一些细微的腐蚀坑或缺口。
2. 裂纹扩展区：这是疲劳裂纹开始扩展的区域。
这个区域的断口通常会有明显的台阶状或凹凸不平的形态。
这种形态是由于疲劳裂纹在每一次循环载荷作用下扩展一点所形成的。
3. 瞬断区：这是疲劳断裂的最后阶段。
在这个区域，裂纹扩展得太快，以至于没有足够的时间在断口上留下痕迹。
这个区域的断口通常比较平坦，有时甚至会有剪切唇的特征。
这些特征可以用来识别低周疲劳断裂，并帮助理解材料的疲劳性能和行为。
疲劳断裂的特征分类及基础知识
疲劳断裂的特征分类及基础知识疲劳断裂是一种在重复加载条件下发生的一种损伤形式，可以导致金属及其合金材料的破坏。
疲劳断裂是由于应力集中、材料缺陷、环境影响等多种因素引起的。
以下是对疲劳断裂特征分类及基础知识的详细分析。
1.纵向疲劳断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在垂直于加载方向的平面上发生断裂，形成纵向疲劳断裂。
2.横向疲劳断裂：当材料受到扭转或剪切的加载时，在平行于加载方向的平面上发生断裂，形成横向疲劳断裂。
3.中心断裂：当材料受到拉伸或压缩的加载时，在距离加载部位较远的位置发生断裂，这种断裂称为中心断裂。
4.表面断裂：当材料受到磨损、腐蚀等外部因素的影响时，在材料表面形成断裂，这种断裂称为表面断裂。
1.疲劳载荷：是指在一个周期内作用于材料上的变化载荷，其特点是频率较高、幅值较小。
常见的疲劳载荷有交变载荷、脉动载荷和随机载荷等。
2.疲劳寿命：是指材料在一定的应力水平下承受疲劳载荷的循环次数，即能够承受多少次循环载荷而不发生疲劳断裂。
3.S-N曲线：是一种用来描述材料的疲劳性能的荷载寿命曲线。
它描述了应力幅值和循环次数之间的关系，一般呈现出下降递减的趋势。
4.疲劳裂纹：是指在材料使用过程中形成的裂纹。
疲劳裂纹的出现是由于材料在应力循环中发生屈服，导致局部塑性变形，从而形成裂纹。
5.疲劳断裂预测：为了避免材料在使用过程中发生疲劳断裂，科学家和工程师会进行疲劳断裂预测。
这个过程包括材料的疲劳性能测试、疲劳寿命预测和结构设计等。
总结起来，疲劳断裂是一种由应力集中、材料缺陷和环境影响等引起的金属材料破坏形式。
根据断裂的位置和形状可以将其分类为纵向疲劳断裂、横向疲劳断裂、中心断裂和表面断裂。
了解疲劳载荷、疲劳寿命、S-N曲线、疲劳裂纹以及疲劳断裂预测等基础知识有助于理解和预防疲劳断裂的发生。
研究和应用这些知识对于材料的设计和使用至关重要。
疲劳断口的宏观形貌特征
其他辅助技术手段
X射线衍射（XRD）分析
01
通过XRD可以分析断口表面的晶体结构和相组成，有助于了解
材料的力学性能和断裂机制。
超声波检测
02
利用超声波在材料中的传播特性，可以检测材料内部的缺陷和
裂纹，为疲劳断裂的分析提供辅助信息。
红外热像仪
03
红外热像仪可以检测材料表面的温度分布，从而间接反映材料
2023
疲劳断口的宏观形貌 特征
https://
REPORTING
2023
目录
• 引言 • 疲劳断口类型与形成机制 • 宏观形貌特征描述方法与技术手段 • 不同材料疲劳断口宏观形貌特征比较 • 影响因素及变化规律探讨 • 总结与展望
2023
PART 01
引言
REPORTING
• 多尺度研究：疲劳断裂是一个涉及多个尺度的复杂过程，未来研究将更加注重 从微观到宏观的多尺度研究，以揭示不同尺度下的疲劳损伤机制和断裂行为。
• 智能化研究：随着人工智能和机器学习等技术的不断发展，未来有望实现疲劳 断口的智能化识别和分析。通过构建大规模的疲劳断口数据库和深度学习模型 ，可以实现对疲劳断口的自动识别和分类，提高分析效率和准确性。
疲劳断口类型划分
01
海滩状断口
海滩状断口是疲劳断口中最为常见的一种类型，其形貌特征类似于海滩
上的波纹状痕迹。这种断口通常出现在高周疲劳断裂中，由于裂纹在扩
展过程中受到反复挤压和摩擦作用而形成。
02
鱼鳞状断口
鱼鳞状断口是另一种常见的疲劳断口类型，其形貌特征类似于鱼鳞状的
层状结构。这种断口通常出现在低周疲劳断裂中，与材料的塑性变形和
2023
PART 03
疲劳断裂特征
rN r （N 持久疲劳极限 ND )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0 及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和σr∞。
于是有
m rN
N
m r
N0
C
rN
r m
N0 N
m
N
r rN
3.1 疲劳断裂特征
一、应力的种类
静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化
平均应力:
m
max min
2
应力幅:
a
max min
2
变应力的循环特性:
σ
-1 ——对称循环变应力
r min = max
0 +1
——脉动循环变应力 ——静应力
Ｏ
静应力是变应力的特例
当应力点落在ABES以外时，一定会发生疲劳破坏。
而正好落在ABE折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。
公式 1 a m 中的参数ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料常
数，其值由试验及下式决定
2 1 0 0
对于碳钢，ψσ≈0.1～ 0.2，对于合金钢，ψσ≈0.2～0.3。
坏。
CD区间——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段
高周疲劳
有关疲劳曲线说明
1、循环基数N0 与材料性质有关，硬度愈高，循环基数愈大。
对于钢，若硬度350HB，取N0=106~107；350HB，取N0=10×107~25 × 107
一般在计算KN时取N0=107
有色金属N0=25 × 107
热疲劳裂纹的3种主要形貌(附5高清图)
热疲劳裂纹的三种主要形貌(附5图)热疲劳导致的断裂为脆性断裂，在断裂部位附近只有不明显或少量的塑性变形。
对于管子、管道等部件，在开裂处并不发生管子胀粗及有明显的管壁减薄行为，管子内外壁通常都覆盖较厚的氧化层。
根据裂纹产生处应力大小、材料性质与发生时间的不同，热疲劳裂纹可能呈不同的形态，总结起来，主要有3种不同形貌。
一种裂纹平行地呈丛状，若在管子中，裂纹可能平行于管子方向，也可能呈环向。
在电厂金属部件中，这种类型的裂纹在锅炉受热面管和减温器联箱中多见。
图1、2为这种裂纹的典型形貌。
另一种热疲劳裂纹是网状龟裂。
产生这种裂纹是由二个方向的热应力或约束所导致。
在电站厚壁部件中，如汽包、汽缸、主蒸汽管道中，这种形貌的裂纹最为多见。
有时这种裂纹表现为在较大的一条直线型裂纹中混有网状的细裂纹。
在接管或圆孔处的热疲劳裂纹则呈现辐射状。
图3为网状龟裂裂纹的典型形貌。
当热应力特别大（如部件经常发生事故，承受较大热冲击），或者有比较显著的裂纹诱发源时，热疲劳裂纹也可能呈一条主裂纹型式。
在热疲劳裂纹产生的早期，也可能只有一条主裂纹。
图4、5为这种类型裂纹的典型形貌。
热疲劳裂纹一般发生在部件表面，裂纹由表面向内扩展。
若能及时检验，初期时，工程可检裂纹都较短而浅。
对于这种情况，通常可以打磨消除掉。
但是在相同的运行条件下，经过一定的时间后，一般该位置或其附近又会重新产生裂纹。
图1 电站汽包内壁热疲劳裂纹图2 电站水冷壁管外壁疲劳裂纹图3 某管道疏水管孔内壁处疲劳裂纹图4 某电站汽包筒体内壁疲劳裂纹图5 某电站汽包环焊缝内壁疲劳裂纹。
疲劳断裂的断口特征
疲劳断裂的断口特征
疲劳断裂的断口特征一般有以下几点：
1、断口两侧，断面往往显示“凸片”状，即断口处物体两端向中心高度增加，断面有锥形；
2、断口的内角棱角出现明显的微粗糙，或者明显的细毛状和钩状；
3、断口多数是突起性的，且往往呈滑刃状；
4、断口有沿断面纵向痕迹，称为疲劳痕迹；
5、断口周围边缘有断口缠芯，或钝边缘，或有断口状破片；
6、磨酸测试显示，断口上有微小淬硬区，或有高温区；
7、断口周围往往有明显的弹塑效应，断口往往缩小；
8、断口上结晶方向发生变化，称为结晶析变；
9、断口的开口大小变化很大，明显大于普通裂纹的断口开口；
10、断口多呈紫色或暗色变化。
疲劳与断裂1.4疲劳断口宏观特征
疲劳与断裂
土木工程与力学学院
1.4疲劳断口宏观特征
这是某飞机机轮铸造镁合金轮毂的疲劳断口照片，从中可以看到疲劳破坏断口的一些宏观特征。
特点一：有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后的瞬时断裂区三个部分。
裂纹源：
瞬时断裂区：
裂纹扩展区：
疲劳裂纹最早萌生的地方。
瞬间断裂形成的新鲜断面；
紧邻瞬时断裂区；
特点二：裂纹扩展区断面较光滑平整，通常可见“海滩条带”，有腐蚀痕迹。
在裂纹扩展过程中，上下裂纹表面之间不
断地张开、闭合，相互摩擦；
在环境氧化或其他腐蚀介质侵蚀下，裂纹
扩展区常常还会留有腐蚀痕迹。
在环境氧化或其他腐蚀介质侵蚀下，裂纹
扩展区常常还会留有腐蚀痕迹。
特点三：裂纹源通常位于高应力或高应变的局部。
裂纹源一般是一个，也可以有多个。
裂纹
起源于高应力区，而高应力区通常在材料表
面（几何突变）或者夹杂、空隙等缺陷处。
特点四：没有明显的塑性变形。
将发生疲劳断裂破坏后的断口对合在一起，一般都能吻合
得很好。
这表明在疲劳破坏之前，并未发生大的塑性变形。
显
著
区
别这一点是材料发生疲劳破坏与在简单
拉伸条件下发生静强度破坏的
特点四：表面裂纹，一般呈半椭圆形。
起源于表面的裂纹，在循环载荷的作用下，通常沿表面方
向扩展较快，而沿深度方向扩展较慢，从而形成半椭圆形。
表面方向扩展
深度方向
扩展
较快较慢。
疲劳裂纹特征
3.4.3 工作应力增长规律 三种规律： 1）r=常数,例如转轴（既承受弯距又承受转距）的弯曲变应 力——简单加载 2）σm =常数 （如振动中的受载弹簧中应力状态）——复杂 加载 3）σmin =常数（如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载荷时的应力 状态）—复杂加载 三种规律是根据零件载荷变化规律以及零件与相邻零件的互 相约束情况的不同而分析的可能的三种规律。
第三章 机械零件的疲劳强度
§3.0 绪论 §3.1 疲劳裂纹特征 §3.2 疲劳曲线和疲劳极限应力图 §3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素 §3.4 许用疲劳极限应力图 §3.5 稳定变应力时的安全系数计算
两种计算方法： A 安全—寿命设计 在规定的工作时间内，不允许零件出现疲 劳裂纹，一旦出现即为失效。可按σ——N曲线进行有限寿命和疲 劳寿命疲劳计算，这也是本章介绍的计算方法。 B 破坏—安全设计 允许零件存在裂纹并缓慢扩展，但须保证 在规定的工作周期内，仍能安全可靠地工作。可按疲劳裂纹寿命计 算。
3.1 疲劳裂纹特征
在变应力工作下的零件，疲劳断裂是最主要的失效形式之一。 零件的疲劳断裂占零件断裂的80%。 疲劳断裂截面→表面光滑的疲劳发展区+粗糙的脆性断裂区。 见书中图3.1和表3.1。
3.2 疲劳曲线和疲劳极限应力图
3.2.1 疲劳曲线 （σ—N或τ—N曲线）
有限寿命区 LgσrN 低周循环 高周循环 无限寿命区
σa
疲劳失效区
A(0,σ-1)
σ σ B 0 , 0 2 2
E
安
全
区 塑性失效 区
0
S(σs,0) F(σB,0)
σm
图3.8 塑性材料简化疲劳极限应力图
图中各状态点说明： Ａ点——对称循环疲劳极限点（０，σ-1） B点——脉动循环疲劳极限点 F点——静强度极限点（σB，0） S点——屈服极限点（σS，0） 以上的抛物线图为实验所得的塑性材料疲劳极限应 力图，折线为塑性材料简化的疲劳极限应力图，由图可 知：零件的工作状态点应处于安全区（折线ABES以内）， 且距离ABES折线越远，工作应更安全。
变应力下,零件疲劳断裂的特征
变应力下，零件疲劳断裂的特征
在变应力作用下，零件疲劳断裂的特征包括以下几个方面：
1.断口形态：变应力下的疲劳断裂通常呈现出韧性断口，其形态与静
态断裂不同。
韧性断裂指断口伴随着较大的塑性形变，表面较为平滑，通
常呈现出类似鱼鳞的形状，而且断口通常不是垂直于应力方向的。
2.应力集中：在变应力作用下，零件内部可能存在应力集中的现象，
导致疲劳寿命明显降低。
应力集中通常会出现在零件的几何缺陷、孔洞等
局部区域。
3.逐渐加剧的疲劳裂纹：疲劳断裂的过程通常是逐渐加剧的。
开始时，疲劳裂纹较小，但随着时间的推移，裂纹深度逐渐增加，最终导致零件断裂。
4.断裂比较突然：虽然疲劳断裂过程较为缓慢，但在断裂前并没有太
多的预兆，而且断裂通常比较突然，容易造成意外事故。
总之，变应力下零件的疲劳断裂特征与静态断裂有所不同，需要进行
更加严格的疲劳寿命设计、制造和测试。
橡胶疲劳断裂形态
橡胶疲劳断裂形态橡胶是一种具有优良弹性和耐磨性的材料，广泛应用于各个领域。
然而，长时间的循环加载和应变会导致橡胶材料的疲劳断裂。
橡胶疲劳断裂是指在连续加载和应变作用下，橡胶材料出现的断裂现象。
本文将详细介绍橡胶疲劳断裂的形态。
橡胶疲劳断裂形态主要包括裂纹的扩展方向、裂纹的形状和断裂面的特征。
首先，橡胶疲劳断裂的裂纹扩展方向通常与加载方向垂直。
这是因为在加载作用下，橡胶材料分子链发生断裂，裂纹会沿着加载方向扩展。
这一特征是橡胶疲劳断裂的重要标志之一。
橡胶疲劳断裂的裂纹形状多样，常见的有疲劳条纹、裂纹分叉和裂纹扩展等。
疲劳条纹是指在橡胶材料表面上形成的一种类似于沟纹的痕迹，其形状呈现出交叉排列的条纹状。
疲劳条纹的形成是由于橡胶材料在加载作用下发生断裂，裂纹扩展并沿着加载方向形成一系列的条纹。
裂纹分叉是指在橡胶疲劳断裂过程中，裂纹从一个裂纹源开始，逐渐分叉成多个裂纹。
这是由于橡胶材料在连续加载和应变作用下，裂纹扩展的结果。
裂纹扩展是指橡胶疲劳断裂过程中裂纹逐渐扩展，最终导致材料的断裂。
裂纹扩展的形态取决于材料的结构和加载条件。
橡胶疲劳断裂面的特征也是判断疲劳断裂形态的重要依据之一。
橡胶疲劳断裂面通常呈现出光洁平整的特征，没有明显的拉伸或剪切痕迹。
这是由于橡胶材料具有较高的弹性，断裂时能够迅速恢复到原始形态，使断裂面保持平整。
此外，橡胶疲劳断裂面上可能会出现一些微小的孔洞或微小裂纹，这是由于橡胶材料在疲劳断裂过程中发生局部应力集中导致的。
总结起来，橡胶疲劳断裂形态包括裂纹的扩展方向、裂纹的形状和断裂面的特征。
裂纹的扩展方向通常与加载方向垂直，裂纹形状多样，常见的有疲劳条纹、裂纹分叉和裂纹扩展等。
断裂面通常呈现出光洁平整的特征，可能会出现一些微小的孔洞或微小裂纹。
了解橡胶疲劳断裂形态对于改善橡胶材料的使用寿命和安全性具有重要意义。
通过合理的设计和使用，可以减少橡胶材料的疲劳断裂，提高其使用寿命。
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E
安 全区
0
塑性失效 区
S(σs,0)
F(σB,0)
m
图3.8 塑性材料简化疲劳极限应力图
图中各状态点说明： Ａ点——对称循环疲劳极限点（０，σ-1） B点——脉动循环疲劳极限点 F点——静强度极限点（σB，0） S点——屈服极限点（σS，0） 以上的抛物线图为实验所得的塑性材料疲劳极限应力 图，折线为塑性材料简化的疲劳极限应力图，由图可知： 零件的工作状态点应处于安全区（折线ABES以内）， 且距离ABES折线越远，工作应更安全。
2020 疲劳裂纹特征
有限寿命区（N< N0）
低周循环疲劳区——0<N<103(104) 疲劳极限接近 屈
服极限,几乎与N无关。
高周循环疲劳区——103(104)≤N，疲劳极限随循环次
数的增加而降低。
无限寿命区（N≥N0）
疲劳极限与N无关，呈直线变化。所谓“无限”寿命是 指零件承受的变应力水平低于或等于材料的疲劳极限 σr，工作应力总循环次数可大于循环基数N0,并不是说 永远不会产生破坏。
LgσrN
r3=0.5 r2=0 r1=-1
0
104
107
lgN
图3.4 不同r时的疲劳曲线
３.２.２ 疲劳极限应力图
疲劳极限应力图表明材料在相同循环次数Ｎ和不同循环特 性ｒ下的不同疲劳极限。用以以应力大小来判断零件工作的 安全区域和失效区域。由实验得出。
a
疲劳失效区
A(0,σ-1)
B 0 , 0 2 2
3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素
3、3、1 应力集中的影响，影响系数为kσ kτ
k 1q( 1) k 1q( 1)
,—— 考虑零件几何形状的理论应力集中系数
q——考虑材料应力集中感受程度的敏感系数
3、3、2 尺寸的影响，影响系数为εσ ，ετ
3、3、3 表面状态的影响，影响系数为βσ βτ 综合影响系数
Sτ，Sτa——机械零件疲劳强度最大剪应力安全系数和剪应 力幅安全系数
3.5.1 单向应力状态时的安全系数（r=常数时的机械零件单向加
载）
1a
r minm a max ma
1ma
常数
m
由此式可知：欲使r=常数，则σa，σm应按同一比例增长。
a
A’
cm ' ,a'
B’
E
k N 1
(k )0
疲劳安全区
3.4.3 工作应力增长规律 三种规律： 1）r=常数,例如转轴（既承受弯距又承受转距）的弯曲变应 力——简单加载 2）σm =常数 （如振动中的受载弹簧中应力状态）——复杂加 载 3）σmin =常数（如紧螺栓联接中螺栓受轴向变载荷时的应力状 态）—复杂加载 三种规律是根据零件载荷变化规律以及零件与相邻零件的互相 约束情况的不同而分析的可能的三种规律。
)
简化疲劳极限曲线 B(0 , 0 )
22
Cm,a
Cm,a 许用疲劳极限曲线
B( , ) kN0 kN0 2 2(k)D
E
屈 服
极
限
曲
线
许用疲劳极限应力图
135º
S(бS ,0)
m
图中： A点,A'点——分别为对称循环变应力下疲劳极限点和许用疲劳极 限点 B点和B'点——分别为脉动循环变应力下疲劳极限点和许用疲劳 极限点 E点和E'点——分别为简化疲劳极限曲线与屈服极限曲线的交点 以及许用疲劳极限曲线与屈服极限曲线的交点 S点——屈服极限点
ｋ为寿命系数，
m lgN0 lgN
lgrNlgr
LgσrN σrN
σr
1 m
lgN
N
N0
图3.3 疲劳曲线的指数m
❖ 2.循环基数Ｎ０ 据材料性质不同Ｎ０取值也不同。通常金属的Ｎ ０取为107，随着材料的硬度↑，Ｎ０↑。具体划分见书P38。有色 金属及高强度合金钢的疲劳曲线没有无限寿命区。
❖ ３. 不同循环特性ｒ时的疲劳曲线如图所示，ｒ↑→σrN↑、（τrＮ↑）
极限点C’ σlim=σ’m+σ’a=σ’
S m m' aa'O O G H G H C CO OCC
Sa
a a
GC OC HC OC
由此可知: 例如：
S ，S计算a 时选择任一种方法即可。
kN 0
2(k )0
C m, a
c1
c
' 1
塑性安全区
O
H
G
kN 0
2
M
L
S( s ,0) m
r=常数时安全系数计算简图
由图可知： C 和 C1——分别为疲劳安全和塑性安全区的工作点 Cˊ和C1ˊ——分别为与C和Cˊ相对应的应力（单向）增长极限点
1. 几何法求安全系数 由图中可知工作点C： σ=σm + σa
3.4.2 许用疲劳极限应力图 在简化疲劳极限应力线图的基础上考虑综合影响系数 （kσ）D （ kτ）D和寿命系数 kN 影响后而得到的。 说明： 综合影响系数（kσ）D （ kτ）D只对极限应力幅σa有影 响，而寿命系数KN同时对极限应力幅和平均应力有影响。
a
A0,1
A(0,
kN1
(K )D
计算时：
(k
)D
k
,
(k
)D
k
1、零件的工作应力幅×综合影响系数（对平均应力影响很小）。
2、零件的极限应力幅÷综合影响系数
3.4 许用疲劳极限应力图
3.4.1 稳定变应力和非稳定变应力 稳定变应力——每次循环中，σm，σa和周期T都不随时间t而变化 的变应力。 非稳定变变应力——每次循环中只要σm，σa和T其中之一随时间t 而变化的应力 它分为两种： （1）周期性非稳定变应力——由于载荷或工作转速的变化作周 期性规律变化的变应力 （2）随机性非稳定变应力——由于载荷或工作转速的变化作非 周期性规律变化的应力
不同应力变化时的循环疲劳极限表示为： 有限寿命区： σrN ，τrN 无限寿命区：σr,τr；σ0、τ0，σ-1、τ-1
103（104）≤N≤N0范围的变化曲线方程为——
疲劳方程 mrN N mr N0 c
m rN
N
mr
N0
C
即
rN
m
N0 N
r
kN r
rN kN r
❖ 说明： １、式中，ｍ—为随材料和应力状态而变化的幂指数，钢受弯曲、 拉伸、剪切应力时ｍ＝９，钢线接触时ｍ＝６，青铜弯曲应力时 ｍ＝９，接触应力时ｍ＝８。
A΄
a
C’
α o
•
a
A’ a
C’ B’
m
s
r=常数
c
m
σm
S
b) σm=常数
三种工作应力增长规律
a
A’
σmin
C’ C
S
m
c)σmin=常数a 三种工作应力增长规律
3.5 稳定变应力时的安全系数计算（Sσ，Sσa，Sτ，Sτa） Sσ，Sσa——机械零件疲劳强度最大正应力安全系数和正应 力幅安全系数