常见疲劳断口形貌特征
材料断口分析第6章-疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
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§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
66
锯齿形断口
棘轮花样
67
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
68
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
69
二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，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
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
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
47
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲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
疲劳断口的宏观形貌特征
断口的微观结构特征
5
疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象： 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
精选
6
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处 疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征 仍可确定疲劳源的大体位置。
精选
9
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
精选
沿晶断裂
3
疲劳断口的观察方法
• 为什么要进行疲劳断口分析？ 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关
断裂全过程的许多珍贵资料。借助断口可以分析断裂类型 、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因 和断裂机理，所以对断口的观察和研究一直受到重视。
疲劳断口提供了大量信息，由断口可分析裂纹起因、扩
• 断口的微观结构（通常指40x以上）
断口的宏观形貌特征
得到局部细节处的信息，了解破坏形成的微观机理，本质
上把握疲劳现象；甚至可以进行定量计算。
• 观察方法： 按照观察工具的不同，可以大致分为三类： o 肉眼或者放大镜观察——1~10x o 使用金相显微镜观察——10~1000x o 使用电子显微镜观察——1000x以上
金属疲劳断口的宏现形状特征
收藏【技术类】金属疲劳断口的宏现形状特征(2011-1-21 13:38:36)疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。
具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。
一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。
1、疲劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形。
因为裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。
在整个断口上与其他两个区相比，疲劳裂纹源区所占的面积最小。
当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动。
有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源，每个源区所占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形貌。
裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。
通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。
当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。
2、疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判断疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样，它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。
疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹。
疲劳断口的宏观形貌特征
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。 o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算） • 断口的微观结构（通常指40x以上） 断口的宏观形貌特征 得到局部细节处的信息，了解破坏形成的微观机理，本质 上把握疲劳现象；甚至可以进行定量计算。
谢谢！
疲劳断口
塑性断口
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源，扩展区 和瞬断区，判断为单向弯曲载荷
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
根据宏观形貌特征判断受载情况
最后断裂区
最后断裂区的面积小，说明应力水平比较低
根据宏观形貌特征判断受载情况
棘轮状标志
根据裂纹源的位力集中
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能 一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处
疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征 仍可确定疲劳源的大体位置。
疲劳断口的宏观形貌特征
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x 裂纹源、滑移、夹杂、 缺陷
1000x以上 条纹、微解理、微 孔聚合
例图
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口的典型宏观特征
疲劳断口的典型宏观特征《疲劳断口的典型宏观特征》我记得有一次，我帮朋友检查他那辆旧自行车的链条。
那链条看着没什么大问题，但是在某个接口处却突然断掉了。
后来才知道，这可能是长期使用，类似疲劳断口的情况。
这小小的事情让我意识到，了解疲劳断口的特征是多么重要，不管是对于小小的自行车零件，还是大型的机械设备，它能帮助我们提前发现问题，避免一些不必要的危险或者损失呢。
特征分析特征一：贝壳纹（海滩纹）- 名称和来源：这纹路看起来就像贝壳或者海滩上的纹路一样，一圈一圈的。
它的形成呀，就像是物体累了一样，在每次承受力量的循环过程中，微小的损伤不断累积，就像树的年轮一样，慢慢地就形成了这样有规律的纹路。
- 作用和表现：就像我们看树的年轮能知道树的年龄一样，看到贝壳纹，我们大概就能知道这个断口经历了多少次力量的循环加载。
我有一次看到一个金属杆的断口有这种纹路，就感觉像是看到了它的“生命历程”。
它的纹路越密集，可能就表示这个东西承受力量的频率越高呢。
- 优缺点：优点就是它像一个小记录员，能给我们提供很多信息。
可是它的缺点就是，对于外行人来说，可能不太容易一眼就看出来这是贝壳纹，得有点经验或者学习才可以。
- 对事物性质或使用体验的影响：如果在一个机器的零件上发现了贝壳纹，那这个零件可能就已经承受了很多次的压力了，它的强度可能已经大打折扣了。
就像我们穿的鞋子，鞋底要是出现了类似的磨损纹路，那这双鞋可能就离坏掉不远了。
- 安全性和潜在问题：如果忽视了贝壳纹，可能会导致一些严重的后果。
比如在飞机的零部件上，如果有这种特征而没被发现，在飞行过程中可能会发生断裂，那可就是大灾难了。
特征二：疲劳源区- 名称和来源：这个区域就像是疲劳断口的“源头”。
它通常是因为零件在制造的时候可能存在一些小缺陷，或者是在使用过程中受到了一些局部的应力集中。
比如说一个金属块上有个小坑洼，每次受力的时候，这个小坑洼的地方受到的力就会比其他地方大很多，时间长了，这里就成了疲劳源区。
疲劳断口宏观分析
1 疲劳断口的形貌特征疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面，称断裂面或断口。
分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问题提出改进意见。
对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。
所谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。
微观分析是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。
宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。
微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。
1.1 疲劳断口宏观特征由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同，在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。
（1）弯曲应力作用下的疲劳断口图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。
零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。
图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。
图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。
图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。
最终瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现象。
因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。
轴上有无应力集中及应力集中大小，其最终瞬断区的位置是不同的。
若应力集中较小时，疲劳源只在一处发生，最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。
疲劳宏观断口的特征
在日常质量整改过程中，往往会看到一些损坏零件的断口，一些技术人员缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其断裂原因。
本文仅就疲劳断面如何判断作一介绍，希望能对您有所帮助！金属疲劳断口的宏现形状特征疲劳断口保留了整个斯裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。
具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质’应力伏态、应力大小员坏境因素的影响，因ittM疲劳断口分析雉研梵疲劳过程*分折疲劳失效原因的重要方法。
一个典型旳披茅断口往往由疯劳裂纹源区*披劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部腎组成.具有典型的“贝壳”状或“禅滩"状条纹的特狂这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了概大的帮助.K菽劳裂纹源区疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌注的策源地.是波劳破坏的起点，多处于机件的表面.源区的断口形貌多数情况下比较平坦、光壳.且呈丰圆形或半肺圆抵*因術裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦決数釦所以其断口较莽他两个区更为平坦，比较光亮"在整个断口上与直他两个区相比，疲劳裂纹源区所占科面积最当表面承受足觴高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时，裂纹源则向次表面或机件内部移动"有时在疲劳断口上也会岀现多个裂纹澜每个源区所占面积往往比单个源区小.源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的形瓠裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变戟荷秋况等.通常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲劳断口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区“当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期*疲劳裂纹在交变载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展,这时断口上不再出现菽劳源区，只有裂纹扩展区和瞬时断裂区。
2.技劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判斯疲劳斯裂的最重要特征区域,其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样.它是以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧线。
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口的宏观形貌特征
• 最后断裂区 即瞬时断裂区。瞬时断裂区是裂纹扩展到剩余面积不足以承担最大疲劳载荷， 最后发生静强度（即过载）断裂失效形成的，瞬断区形貌与塑性或脆性断口形貌基本 一致，比较粗糙，也称粗粒区。
最后断裂区
脆性断口
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形： 将疲劳破坏的断口对合在一起，一般都能吻合的很好。这表明破坏之前并未发生大 的塑性变形，即使是塑性很好的材料也是如此。
疲劳断口的宏观形貌特征
2014年12月30日
目录
疲劳断口的观察方法 疲劳断口的宏观形貌特征 根据宏观形貌特征判断受载情况
疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 韧窝断裂
（1）解理断裂
（2）准解理断裂 （3）韧窝断裂 （4）沿晶断裂
（5）疲劳断裂
（6）蠕变断裂 （7）…….
沿晶断裂
疲劳断口的观察方法
疲劳断口
塑性断口
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源，扩展区 和瞬断区，判断为单向弯曲载荷
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
根据宏观形貌特征判断受载情况
最后断裂区
最后断裂区的面积小，说明应力水平比较低
根据宏观形貌特征判断受载情况
棘轮状标志
根据裂纹源的位置和海滩条带，判断为偏心旋转弯曲载荷 断口边缘存在棘轮状标志，说明边缘处存在应力集中
疲劳断口的宏观形貌特征
• 裂纹扩展区 o 扩展区断面光滑、平整——循环加载时，反复变形，裂开的两个面不断张开 、闭合，相互摩擦。 o 断面通常可见形似 “海滩”的海滩条带——载荷剧烈变动引起的。变幅加载 ，运行启动时，突然过载；在裂纹前沿出现较大的应力而留下塑性变形的痕 迹。 海滩条带是疲劳断口的宏观基本 特征，是判断结构断裂失效是否 为疲劳断裂的重要依据。 海滩条带
疲劳断口的宏观形貌特征资料
要依据。
断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口分析的实验基础： 对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和
分析。
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。
o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算）
疲劳源位于内部缺陷处 疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征 仍可确定疲劳源的大体位置。
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处
• 为什么要进行疲劳断口分析？ 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关
断裂全过程的许多珍贵资料。借助断口可以分析断裂类型、 断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因和断 裂机理，所以对断口的观察和研究一直受到重视。
疲劳断口提供了大量信息，由断口可分析裂纹起因、扩
展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是疲劳失效分析的重
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象： 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口的诊断和预防
疲劳断口的诊断方法
宏观观察：观察断口的宏 观形貌特征如裂纹、缺口 等
微观观察：通过显微镜观 察断口的微观结构如晶粒、 夹杂物等
化学分析：对断口进行化 学成分分析如元素含量、 氧化程度等
力学性能测试：对断口进 行力学性能测试如硬度、 强度等
疲劳寿命预测：根据断口 的宏观形貌特征和微观结 构预测疲劳寿命
预防措施：根据诊断结果 采取相应的预防措施如改 进材料、优化设计等
预防疲劳断口的措施
提高材料强度和韧 性
改善加工工艺减少 应力集中
控制载荷和温度避 免过载和过热
定期检查和维护及 时发现和修复疲劳 断口
THNK YOU
汇报人：
疲劳断口的宏观形貌特征
汇报人：
单击输入目录标题 疲劳断口的形成过程 疲劳断口的宏观形貌特征
影响疲劳断口宏观形貌的因素
疲劳断口的微观形貌特征 疲劳断口的诊断和预防
添加章节标题
疲劳断口的形成过程
疲劳裂纹的萌生
疲劳裂纹的萌生是疲劳断口形成的第一步 疲劳裂纹的萌生是由于材料在循环载荷作用下产生的 疲劳裂纹的萌生通常发生在材料的应力集中区域 疲劳裂纹的萌生是一个渐进的过程需要一定的时间
疲劳裂纹扩展区的微观形貌
疲劳裂纹扩展区：在疲劳断口表面形成的 裂纹扩展区域
微观形貌特征：包括裂纹扩展方向、裂纹 扩展速度、裂纹扩展深度等
裂纹扩展方向：裂纹扩展方向与应力方向 一致呈直线或曲线状
裂纹扩展速度：裂纹扩展速度与应力大 小、材料性质、环境条件等因素有关
裂纹扩展深度：裂纹扩展深度与应力大 小、材料性质、环境条件等因素有关
疲劳裂纹扩展区的微观形貌特征对疲劳断 口的宏观形貌特征有重要影响
疲劳断口的宏观形貌特征PPT课件(模板)
海滩条带
疲劳断口的宏观形貌特征
• 最后断裂区 即瞬时断裂区。瞬时断裂区是裂纹扩展到剩余面积不足以承担最大疲劳载荷，
最后发生静强度（即过载）断裂失效形成的，瞬断区形貌与塑性或脆性断口形貌基本 一致，比较粗糙，也称粗粒区。
分析。
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。
o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算）
• 断口的微观结构（通常指40x以上）
最后断裂区
脆性断口
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形： 将疲劳破坏的断口对合在一起，一般都能吻合的很好。这表明破坏之前并未发生大 的塑性变形，即使是塑性很好的材料也是如此。
疲劳断口
塑性断口
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源，扩展区 和瞬断区，判断为单向弯曲载荷
目录
➢ 疲劳断口的观察方法 ➢ 疲劳断口的宏观形貌特征 ➢ 根据宏观形貌特征判断受载情况
疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 （1）解理断裂 （2）准解理断裂 （3）韧窝断裂 （4）沿晶断裂
（5）疲劳断裂
（6）蠕变断裂 （7）…….
韧窝断裂
沿晶断裂
疲劳断口的观察方法
• 为什么要进行疲劳断口分析？ 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口的宏观形貌特征
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。
疲劳断口的宏观形貌特征
疲劳断口的宏观形貌特征
2014年12月30日
2021/6/4
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目录
➢ 疲劳断口的观察方法 ➢ 疲劳断口的宏观形貌特征 ➢ 根据宏观形貌特征判断受载情况
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疲劳断口的观察方法
• 断裂机理的分类 （1）解理断裂 （2）准解理断裂 （3）韧窝断裂 （4）沿晶断裂
（5）疲劳断裂
（6）蠕变断裂 （7）…….
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断口的微观结构特征
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疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象： 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
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疲劳断口的宏观形貌特征
展信息、临界裂纹尺寸、破坏载荷等，是疲劳失效分析的
重要依据。
断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口分析的实验基础： 对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和
分析。
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断口的微观结构特征
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疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。
o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算）
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能
一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺处 疲劳源位于构件的表面
疲劳断口的宏观形貌特征
断口的微观结构特征
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疲劳断口的观察方法
• 观察工具和能观察到的对象： 肉眼、放大镜
观察工具
金相显微镜
电子显微镜
放大倍数 观察对象
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x
1000x以上
裂纹源、滑移、夹杂、 条纹、微解理、微
缺陷
孔聚合
例图
精选可编辑ppt
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疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的微观结构（通常指40x以上）
断口的宏观形貌特征
得到局部细节处的信息，了解破坏形成的微观机理，本质
上把握疲劳现象；甚至可以进行定量计算。
• 观察方法： 按照观察工具的不同，可以大致分为三类： o 肉眼或者放大镜观察——1~10x o 使用金相显微镜观察——10~1000x o 使用电子显微镜观察——1000x以上
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疲劳断口的宏观形貌特征
• 裂纹扩展区 o 扩展区断面光滑、平整——循环加载时，反复变形，裂开的两个面不断张开 、闭合，相互摩擦。 o 断面通常可见形似 “海滩”的海滩条带——载荷剧烈变动引起的。变幅加载 ，运行启动时，突然过载；在裂纹前沿出现较大的应力而留下塑性变形的痕 迹。
海滩条带是疲劳断口的宏观基本 特征，是判断结构断裂失效是否 为疲劳断裂的重要依据。
一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处
• 疲劳裂纹萌生的原因： o 裂纹构件结构形状不合理：截面突变、拐角、缺口等； o 构件表面的晶粒粗大等组织缺陷，或者表面存在切削刀痕或划伤等工艺缺陷； o 若在材料的内部存在严重的冶金缺陷如夹渣、疏松时疲劳源也可能在此处产生。
精选可编辑ppt
疲劳断口宏观上没有明显的塑性变形： 将疲劳破坏的断口对合在一起，一般都能吻合的很好。这表明破坏之前并未发生大 的塑性变形，即使是塑性很好的材料也是如此。
疲劳断口的宏观形貌特征PPT课件
• 疲劳断口分析的实验基础： 对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。
断口的宏观形貌特征
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。
o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算）
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳断口的宏观形貌Leabharlann 分为三个区：o 疲劳源
（源区）
o 裂纹扩展区 （扩展区）
o 最后断裂区 （瞬断区）
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处
疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征仍可确定疲劳源的大体位置。
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处
• 疲劳裂纹萌生的原因： o 裂纹构件结构形状不合理：截面突变、拐角、缺口等； o 构件表面的晶粒粗大等组织缺陷，或者表面存在切削刀痕或划伤等工艺缺陷； o 若在材料的内部存在严重的冶金缺陷如夹渣、疏松时疲劳源也可能在此处产生。
• 为什么要进行疲劳断口分析？ 断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍
贵资料。借助断口可以分析断裂类型、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、 断裂原因和断裂机理，所以对断口的观察和研究一直受到重视。