第5章 疲劳断裂失效分析
第五章__材料的疲劳性能(1)分析
疲劳微裂纹形成的三种形式
表面滑移带开裂解释 1）在循环载荷作用下，即使循环应力未超过材料屈服强 度，也会在试样表面形成循环滑移带 2）循环滑移带集中于某些局部区域（高应力或簿弱区） 3）循环滑移带很难去除，即使去除，再次循环加载时， 还会在原处再现 （驻留滑移带）
特征： 1）驻留滑移带一般只在表面形成，深度较浅，随循环次数 的增加，会不断地加宽 2）驻留滑移带在表面加宽过程中，会出现挤出脊和侵入 沟，在这些地方引起应力集中，引发微裂纹
四：疲劳裂纹扩展速率
试验表明：测量疲劳裂纹长度和循环周数的关系如图
疲劳裂纹扩展曲线
Δσ2﹥Δσ1
从图可知： 1）曲线的斜率da/dN（疲劳裂纹扩展速率）在整个过程中 是不断增长的 2）当da/dN无限增大，裂纹将失稳扩展，试样断裂 3）应力增加，裂纹扩展加快，a-N曲线向左上方移动，ac相 应减小 结论：裂纹扩展速率da/dN 和应力水平及裂纹长度有关 根据断裂力学： 可定义应力强度因子幅为
特征 1）疲劳源区比较光滑（受反复挤压，摩擦次数多） 2）表面硬度因加工硬化有所提高 3）可以是一个，也可能有多个疲劳源（和应力状态及 过载程度有关）
疲劳裂纹扩展区
是疲劳裂纹亚临界扩展的区域
特征 1）断口较光滑，分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有 裂纹扩展台阶 2）贝纹线是疲劳区的最典型特征，贝纹线是以疲劳源为圆 心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向 3）近疲劳源区贝纹线较密，远离疲劳源区贝纹线较疏
5.2 疲劳破坏机理
一：金属材料疲劳破坏机理
疲劳裂纹的萌生
1）在材料簿弱区或高应力区，通过不均匀滑移， 微裂纹形成及长大而完成 2）定义裂纹长度为0.05—0.10mm时为裂纹疲劳 核，对应的循环周期为裂纹萌生期
失效分析知识点
失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。
2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。
3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。
也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。
4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。
5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。
（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。
第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。
原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。
（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。
（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。
（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。
材料失效分析(第五章-疲劳)
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
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
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
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
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
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
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 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
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
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
失效分析之五
2.0
2.4
试样直径
2
10
5.1 过载断裂的基本形式和特征
3、载荷性质的影响
载荷性质不仅对断口中“三要素”的相对大小有影响， 载荷性质不仅对断口中“三要素”的相对大小有影响，而且其断 裂的 性质有时也会发生很大的变化。 性质有时也会发生很大的变化。
冲击断口形貌示意图 a—一般情况，ｂ—材料塑性较好，c—材料脆性较大，ｄ—脆性断口 一般情况， 材料塑性较好， 材料脆性较大 材料脆性较大， 一般情况 材料塑性较好 脆性断口 F—纤维区，R—放射区，S—剪切唇 纤维区， 放射区， 纤维区 放射区 剪切唇
2
7
5.1 过载断裂的基本形式和特征
（3）中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具 中碳钢及中碳合金钢的调质状态， 有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。 有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切是一 种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩展时， 种典型的剪切脊。这是在断裂起裂后扩展时，沿最大切应力方向发 生剪切变形的结果。其另一特点是放射元不是直线的， 生剪切变形的结果。其另一特点是放射元不是直线的，这是因为变 形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。 形约束小，裂纹钝化，致使扩展速度较慢等。 （4）塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有纤 塑性较好的材料，由于变形约束小， 维区和剪切唇而无放射区。 维区和剪切唇而无放射区。 （5）纯金属还可能出现一种全纤维的断口或45°角的滑开断口 纯金属还可能出现一种全纤维的断口或45° 45 （6）脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“三 脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“ 要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。 要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。
金属疲劳断裂与失效分析
§2疲劳断口形貌及其特征
• 疲劳断裂宏观断口特征： • 典型疲劳断口：有疲劳源、疲劳裂纹慢
速扩展区及瞬时断裂区。
一、断口宏观形貌
1、源区：通常面积小、在表面，平坦光亮、半椭圆
外形 颜色 数量 位置 大小
半圆、鱼眼、台阶 光亮或腐蚀色 单、多源 表面、次表面、过渡区 、中心 判断主、次源
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
• 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
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
3、振动疲劳
• 微动磨损+交变应力+化学腐蚀交互作用
• 微动磨损形成的腐蚀产物及腐蚀性介质（空气、水、润滑剂）都可 像 “楔子” 一样嵌入裂纹内部，使裂纹扩展速率增加，疲劳寿命下降。
疲劳断裂失效分析
1 5.1疲劳断裂失效的基本形式和特征 5.2疲劳断口形貌及其特征5.3疲劳断裂失效类型与鉴别 5.4疲劳断裂失效的原因与预防第5章疲劳断裂失效分析2Î按应力循环次数当Nf＞105时为低应力高周疲劳（通常所指） 当Nf＜104时为高应力低周疲劳Î按服役的温度及介质条件机械疲劳、高温疲劳、低温疲劳 冷热疲劳、腐蚀疲劳Î基本形式切断疲劳：面心立方在单向压缩、拉伸及扭转条件下多以切断形式破坏正断疲劳：大多数的金属构件的疲劳失效都是以此形式进行的，特别是体心立方金属3Î疲劳断裂的突发性Î疲劳断裂应力很低Î疲劳断裂是一个损伤积累的过程Î疲劳断裂对材料缺陷的敏感性Î疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性4典型的疲劳断口一般有三个区,即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。
疲劳断口的宏观特征与静载破坏的脆性断口相似，无明显的宏观塑性变形。
5Ø疲劳核心是疲劳破坏的起点，它总是位于零件强度最低或应力最高的地方。
Ø零件承受弯曲、扭转疲劳负荷时，最大应力区是在零件的表面。
Ø零件表面的加工刀痕、凹槽、尖角、台肩等处由于应力集中往往成为疲劳源。
Ø如果零件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、白点、空洞、化学成分的偏析等，则可能在零件内部产生疲劳源。
1、疲劳核心(或称疲劳源)6Ù疲劳源的数目可以不止一个，在名义应力较高或是应力集中较为严重时，在高应力区域就可能产生几个疲劳源。
Ù疲劳源的位置用肉眼或低倍放大镜就能判断，一般在疲劳区中磨得最光亮的地方。
Ù在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下，可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序，疲劳线的密度越大，表示起源的时间越早。
7疲劳断口上最重要的特征区域该区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志，如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹等。
贝纹线以疲劳源为中心，向四周推进呈弧形线条，垂直于裂纹扩展方向。
金属零件的疲劳断裂失效
(4) 装配与联接效应
装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容 易出现的问题是，认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利，使用实践和疲劳试验表明，这种看 法具有很大的片面性。
(5) 使用环境
环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发 生断裂失效。例如镍铬钢（0.28％C，11.5％ Ni，0.73％Cr），淬火并回火状态下在海水中的条件下疲 劳强度大约只是在大气中的疲劳极限的20％。
(5) 接触疲劳
02 疲劳断裂原因分析
(1) 零件的结构形状
零件的结构形状不合理，主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变 而造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最易在此处萌生。 (2) 表面状态
不同的切削加工方式（车、铣、刨、磨、抛光）会形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖 锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不 良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。
(3) 材料及其组织状态
材料选用不当或在生产过程中，由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生，金属材料的组 织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般的说，回火马氏体较其它混合组织，如珠光体加马氏体 及贝氏体加马氏体具有更高的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量 的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性，如 非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。
当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时，系统将出现激烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设 备振动疲劳断裂的主要形式，除此之外，尚有颤振疲劳及喘振疲劳。
疲劳断裂失效分析与表面强化预防
１ ．结构材料的疲劳失效特征
疲劳失效是材料在循环载荷作用 下发生 的损伤和破 坏过程 。一般而言疲劳断裂包 括裂纹 的萌 生 、裂纹 的扩
展和最终 的断裂三个过程 ，因此疲 劳断 口上有 三个相对
对疲劳断裂失效而 言，应该将疲 劳裂纹 的萌生 与疲 劳裂纹的扩展 （ 包括疲 劳小裂纹和长裂纹的扩展） 结合 起来 ，综合考 虑 疲 劳 裂 纹 的 “ ” 与 “ ” 的 过程 ， 裂 断
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特征 ：
其 一， 劳裂纹源多位 于应 刀痕 、压 痕 、擦 伤 、锻 造 皱 皮 、折 ｌ 叠 、疏松 、空洞 以及组织 中的晶界与孪 品界 、熔渣 、夹 杂物 、白点 、第二相粒子 、滑移集 中带 和形 变集 中带 等 部位都易于萌生疲劳裂纹 。 其二 ，疲劳裂纹扩展时 ，在延展性 好 的材料上易 产 生疲劳条带 ，在 脆性材料上多产生银纹或剪切带。 其三 ，对于疲 劳断裂 的瞬 断区 ，延展性好 的材料 多 以韧窝形态发生切 断 ，在脆性材料 上多产生结 晶特征 的
（ ）疲劳失效为低应力长时间无 明显 塑性 变形 的宏 １
观脆性断裂。
（ ）疲劳失效是 由材料局部的组 织不 断发生损伤变 ２
化并且逐 渐 累积而 成 ，疲 劳总 是从 最 薄弱 的 区域 开始
（ 图 １。 见 ）
强调了裂纹的萌生 和扩展两个 阶段 。一 个零件要 “ 裂” 必须有裂纹 的产生并使裂纹长大 ， 要想 “ 断” 必须是零
匀性 ，决定了疲 劳失效具有随机性 。
章， 对存在一定尺寸的裂纹或缺陷，通过分析剩余寿命
／ 剩余强度来计 算构 件 的安 全 ，一方 面可充 分发 挥材 料
疲劳与断裂5PPT课件
7
5.2 裂纹尖端的应力强度因子
裂纹的 三种基 本受载 形式：
y
x
t
z
1型 t
y
x
作用(、a)越大，抗力(K1C )越低，越可能断裂。
K是低应力脆性断裂（线弹性断裂）发生与否 的控制参量，断裂判据可写为：
K= f (Wa ,L) pa K1c 16
断裂判据：
K= f (Wa ,L) pa K1c 或 KK1C
这是进行抗断设计的基本控制方程。
f是裂纹尺寸a和构件几何(如W)的函数，查手册； K1C是断裂韧性(材料抗断指标)，由试验确定。
r， ij趋于零；但显然可知, 当q=0时，在x轴 上远离裂纹处，应有y=，且不受r的影响。故 此时应以其后的r0阶项为主项。
断裂力学关心的是裂纹尖端附近的应力场。
11
裂尖的应力强度因子K1： K1= p a
K反映了裂尖应力场的强弱；足标1表示是1型。
ij越大，K越大；裂纹尺寸a越大，K越大。 K的量纲为[应力][长度]1/2，常用MPa m。
内压 p ，则 ，临界裂纹尺寸 ac ；
若内压不变，容器直径 d ， ， ac ， 抗断裂能力越差。
22
本章基本概念
低应力断裂：在静强度足够的情况下发生的断裂。
剩余强度: 受裂纹影响降低后的强度。 工程中最常见的、危害最大的是 I (张开)型裂纹。 用弹性力学方法可以得到裂纹尖端附近任一点 (r,q)处的正应力x、y和剪应力txy为：
热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征
热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征断裂失效分析(4)钟培道(北京航空材料研究院,北京100095)5.3 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析的内容包括:分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。
疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因,从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。
5.3.1 疲劳断裂的宏观分析典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区,即疲劳源区、扩展区和瞬断区,见图12。
图12 疲劳断口的宏观特征在一般情况下,通过宏观分析即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂、断裂源区的位置、裂纹的扩展方向以及载荷的类型。
(1)疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区。
疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处,由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长,裂纹扩展速率较慢,经过反复张开与闭合的磨损,同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇,汇合形成辐射状台阶或条纹。
因此,疲劳源区一般具有如下宏观特征:①氧化或腐蚀较重,颜色较深;②断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面;③有向外辐射的放射台阶或放射状条纹;④在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。
有时疲劳源区不只一个,在存在多个源区的情况下,需要找出疲劳断裂的主源区。
(2)疲劳断裂扩展区的宏观特征该区断面较平坦,与主应力相垂直,颜色介于源区与瞬断区之间,疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)见图13。
图13 疲劳弧线(3)瞬时断裂区的宏观特征疲劳裂纹扩展至临界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸)后发生失稳快速破断,称为瞬时断裂。
断口上对应的区域简称瞬断区,其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。
5.3.2 疲劳断口的微观分析疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上,它是宏观分析的继续和深化。
金属疲劳断裂与失效分析
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
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
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
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
塑性变形→韧窝 • 高强度钢、厚度大、脆性材料+应
力高
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。
汽车零件失效分析—疲劳断裂分析思路及要点
引言
➢ “失效学系统论”是研究系统的模式、结构、性质和规律的理论， 它具有系统性、最优化、模型化等基本原则。
➢ “失效学的方法论”是认识世界和改造世界的方法理论，它具有 普适性、科学性、有效性等性质；
➢ 鉴于疲劳断裂失效在汽车零部件数量和种类上多发性、失效形式 和影响因素的多样性，有必要系统地分析、归纳和总结分析的思 路和要点，建立和优化分析模式，提高分析和解决问题工作的准 确性和有效性。
3.3.3同轴度不合-力学要素
某轿车自动变速器驱动板接续发生了3件疲劳开裂的问题，间隔里程在 23000~25000公里之间； 该问题应该是发动机曲轴和变速器输入轴的轴中心线的同轴度不良。
变速器
发动机
3.3.4齿轮间隙-力学要素
曲轴第一曲柄弯曲疲劳断裂时有发生，原因是发动机相关齿轮啮合间隙过小，曲 轴断头承受弯曲疲劳载荷； 应关注相关齿轮轮齿的齿面啮合情况。
“材料疲劳强度”总体上属于“显性要素”，靠检验予以确认； “零件的疲劳应力”大多属于“隐性要素”，需要分析评价； “零件的疲劳寿命”属于“半显性要素”，需要充分地评估。
疲劳分析三要素的关系
关注金属材料的疲劳特性，强度（应力）数轴的变化是数学级 数，寿命数轴变化是几何级数。
需要关注疲劳曲线的“斜率”。对于汽车常用的、疲劳强度较 高的结构钢来讲，“寿命阶比”系数大约在1.25~1.40之间。
疲劳断裂的寿命特性
某国产发动机曲轴因“烧瓦”而引起曲柄弯曲疲劳断裂，大量反馈 的车辆行驶里程大致在1~2万公里左右，但后来收集到的最典型的数 据告知，从其更换润滑油到曲轴断裂的行驶里程仅为500公里，其寿 命折损率应为0.1%。 这种寿命数据表达了当时的润滑油市场的情况和换油的频次和几率 问题。 确认零部件的“疲劳寿命”时，要注意 到一种较常见的情况，即机械系统运行 过程中，某些“技术状态”会出现连续 性变化或阶段性的突然变化，导致“应 力要素”异常波动而引起零部件的疲劳 开裂，这种情况下真实的疲劳寿命要低 于、或远低于实际记录的寿命，
弹簧疲劳断裂或失效的原因分析
弹簧疲劳断裂或失效的原因分析一、分解弹簧永久变形及其影响因素弹簧的永久变形是弹簧失效的主要原因之一,弹簧的永久变形，会使弹簧的变形或负荷超出公差范围，而影响机器设备的正常工作。
检查弹簧永久变形的方法:1、快速高温强压处理检查弹簧永久变形。
是把弹簧压缩到一定高度或全部并紧，然后放在开水中或温箱保持10～60分钟，再拿出来卸载，检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。
2、长时间的室温强压处理检查弹簧永久变形：是在室温下，将弹簧压缩或压并若干天，然后卸载，检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。
二、弹簧断裂及其影响因素弹簧的断裂破坏也是弹簧的主要失效形式之一，弹簧断裂形式可分为；疲劳断裂，环境破坏（氢脆或应力腐蚀断裂）及过载断裂。
1、弹簧的疲劳断裂：弹簧的疲劳断裂属于设计错误，材料缺陷，制造不当及工作环境恶劣等因素。
疲劳裂纹往往起源于弹簧的高应力区，如拉伸弹簧的钩环、压缩弹簧的内表面、压缩弹簧（两端面加工的压缩弹簧）的两端面。
受力状态对疲劳寿命的影响（a）恒定载荷状态下工作的弹簧比恒定位移条件下工作的弹簧，其疲劳寿命短得多。
（b）受单向载荷的弹簧比受双向载荷的弹簧的疲劳寿命要长得多。
（c）载荷振幅较大的弹簧比载荷振幅较少的弹簧的疲劳寿命要短得多。
2、腐蚀疲劳和摩擦疲劳腐蚀疲劳：在腐蚀条件下，弹簧材料的疲劳强度显著降低，弹簧的疲劳寿命也大大缩短。
摩擦疲劳：由于摩擦磨损产生细微的裂纹而导致破坏的现象叫摩擦疲劳。
3、弹簧过载断裂弹簧的外加载荷超过弹簧危险截面所有承受的极限应力时，弹簧将发生断裂，这种断裂称为过载断裂。
过载断裂的形式：(a)强裂弯曲引起的断裂;(b)冲击载荷引起的断裂;(c)偏心载荷引起的断裂三、后处理的缺陷原因及防止措施缺陷一：脱碳对弹簧性能影响：疲劳寿命低缺陷产生原因：1、空气炉加热淬火未保护气2、盐浴脱氧不彻底防止措施：1、空气炉加热淬火应通保护气或滴有机溶液保护：盐浴炉加热时，盐浴应脱氧，杂质BAO质量分数小于0.2％。
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
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a）塑性疲劳纹（1000×）
b）塑性疲（1000×）
图5-12 疲劳断口中的疲劳辉纹花样
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（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小， 而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应 一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的 推进量；
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图5-3 疲劳断裂叶片断口
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图5-6 螺栓疲劳断裂断口
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2.疲劳断口宏观形貌的基本特征 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花
样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展 方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。
疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。 疲劳断口上的光亮区。
5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式
• 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、 弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲 劳等；
• 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为 高周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜ 104）；
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• 按零件服役的温度及介质条件可分为机械 疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、 低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。
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• 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正 断形式进行的。特别是体心立方金属及其合 金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力 学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足， 但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、 刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正 断疲劳裂纹也易在表面产生。
• 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应
第5章 疲劳断裂失效分析
材料性能学第5章
图5-9 F-R再生核模型
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a—交变应力为零，循环开 始时，裂纹处于闭合状态。 b—随拉应力增加，裂纹前 端因解理断裂向前扩展。 c—在切应力作用下，沿 45°方向在很窄范围内产生 局部塑性变形。 d—发生塑性钝化，裂纹停 止扩展。 e—应力为零或进入压应力 周期，裂纹闭合，其尖端重 图5-10 脆性疲劳条带形成过程示意图 新变得尖锐，但裂纹已经向 前扩展了一个条带的距离。
以提高疲劳抗力。 ▶ 晶界开裂产生裂纹
晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、 细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。 ▶ 材料内部的缺陷(如气孔、夹杂、分层、各向异 性、相变或晶粒不均匀等)，都会因局部的应力集 中而引发裂纹。
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疲劳裂纹扩展的方式和机理 ▶ 疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段
常将0.05~0.10mm的裂纹定义为疲劳裂纹核， 由此来确定疲劳裂纹的萌生期。
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疲劳裂纹一般都萌生于零件的表面，可能有三 个位置： 对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，裂纹多 萌生在表面滑移带处，即所谓驻留滑移带的地方。 当经受较高的应力/应变幅时，裂纹萌生在晶 界处，特别是在高温下更为常见。 对一般的工业合金，裂纹多萌生在夹杂物或第 二相与基体的界面上。
在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环 加载时形成的。
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图5-7 疲劳条带 (a)韧性条带×1000 (b)脆性条带×600
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► 裂纹扩展的塑性钝化模型(L-S模型)
a—交变应力为零，循环开始时， 裂纹处于闭合状态。 b—拉应力增加，裂纹张开，且 顶端沿最大切应力方向产生滑移。 c—拉应力达到最大时，滑移区 扩大，裂纹顶端变为半圆形，并 停止扩展。裂纹顶端由于塑性变 形产生塑性钝化，应力集中减少。 d—应力反向，滑移方向改变， 裂纹表面被压拢，裂纹顶端弯折 成一对耳状切口。 e—压应力最大值时，裂纹完全 图5-8 韧性疲劳条带形成过程示意图 闭合，并恢复到开始状态。
关于疲劳断裂失效分析的干货，都在这里了！
关于疲劳断裂失效分析的干货，都在这里了！1.1 疲劳的定义疲劳（fatigue)这个词起源于拉丁文的fatigäre一词，意思是“疲倦”。
人疲劳——身心劳累；材料疲劳——在循环载荷下的损伤和破坏。
定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。
1.2 疲劳研究发展过程材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。
W.A.J.Albert——德国矿业工程师，金属疲劳的最初研究者，1829年前后完成。
研究内容：用铁制的矿山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。
第一个金属疲劳研究——1842年法国玩尔赛铁路事故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。
1.3 疲劳载荷规则的交变应力不规则的交变应力一点应力随时间变化曲线应力循环应力比平均应力应力幅值对称循环：r=-1 脉冲循环：r=0 静应力：r=11.4 疲劳极限与应力-寿命曲线S-N曲线一般的应力-寿命曲线对称循环下两种类型S-N曲线平均应力对S-N曲线的影响1.5 影响疲劳寿命的因数应力集中的影响——有效应力集中因数理论应力集中因数S n为名义应力表面加工质量的影响——表面质量因数磨削加工（试样）其他加工2.1 疲劳失效分析经典案例疲劳失效典型案例——20世纪50年代世界第一架民用喷气式客机“彗星号”系列事故。
原因：客舱结构疲劳开裂。
2.2 疲劳断裂失效的特点疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见的塑性变形。
疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。
在机电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有断裂事故的60%~80%。
2.3 疲劳断裂失效分析的目的诊断出疲劳失效的模式；找出引起疲劳断裂的确切原因；采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生。
2.4 疲劳断裂失效分析的内容分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂；疲劳断裂的二级或三级失效模式；疲劳断裂的载荷类型与大小，疲劳断裂的起源等；疲劳断裂的原因；疲劳断裂的机理；提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施。
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图5-3 疲劳断裂叶片断口
图5-6 螺栓疲劳断裂断口
2.疲劳断口宏观形貌的基本特征 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花 样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展 方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。 疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。 疲劳断口上的光亮区。
5.2.2 疲劳断口各区域的位置与形状
2.正断疲劳失效 • 正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初 裂纹产生的力学条件是：正应力/缺口正断 强度≥1，切应力/缺口切断强度＜1。
• 正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力 应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大 致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面 或不严格地沿着结晶学平面扩展。
• 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正 断形式进行的。特别是体心立方金属及其合 金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力 学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足， 但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、 刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正 断疲劳裂纹也易在表面产生。 • 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应 力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均 有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。
2、弯曲疲劳断裂 • 金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的 疲劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又 可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋 转弯曲疲劳三类。其共同点是初裂纹一般 源于表面，然后沿着与最大正应力垂直的 方向向内扩展，当剩余截面不能承受外加 载荷时，构件发生突然断裂。
（1）单向弯曲疲劳断裂
（2）双向弯曲疲劳断裂
• 某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用一。零 件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲 劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截 面的内部。两个疲劳核心并非同时产生，扩展速 度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完 全对称。材料的性质、负荷的大小、结构特征及 环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单 向弯曲疲劳断裂基本相同。
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
• 金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的 性能外，还与零件运行的环境条件有着密 切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对 材料的静强度也有一定的影响，但其影响 程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显 著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚 至就没有所说的疲劳极限。
• 但其基本形式只有两种，即由切应力引起 的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。 其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本 形式在不同条件下的复合。
1.切断疲劳失效 • 切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切 应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是： 切应力/缺口切断强度≥1；正应力/缺口正断 强度＜1。 • 切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应 力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在 平面与应力轴约成45º 角，并沿其滑移面扩 展。
3、疲劳断裂是一个损伤积累的过程 • 疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很 长的时间才完成的。疲劳初裂纹的萌生与 扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。 • 疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、 试件的形状及应力集中状况、材料性质、 温度与介质等因素有关。 • 在工程上通常把试件上产生一条可见的初 裂纹的应力循环周次（N0）或将N0与试件 的总寿命Nf的比值（N0/Nf）作为表征材料 疲劳裂纹萌生孕育期的参量。
部分材料的N0/Nf值
各因素对N0/Nf值影响的趋势
影响因素 应力幅 应力集中 材料强度 变化 增加 加大 增加
对N0/Nf值影响的趋势
降低 降低 升高
材料塑性
温 度
增加
升高 强
降低
降低 降低
腐蚀介质
4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
第5章 疲劳断裂失效分析
•
疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一，在 金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲 劳学科。自从Wöhler的经典疲劳著作发表以来，人 们充分地研究了不同材料在各种不同载荷和环境条 件下试验时的疲劳性能。尽管大多数工程技术人员 和设计人员已经注意到疲劳问题，而且已积累了大 量的实验数据，目前仍然有许多设备和机器发生疲 劳断裂。 • 疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿 命设计。零件、构件和设备的寿命估算，已成为疲 劳强度的一个重要组成部分。疲劳已从一个古老的 概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的 一门新兴学科——疲劳强度。
• 延性疲劳辉纹是指金属材料疲劳裂纹扩展 时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。 疲劳条痕通常是连续的，并向一个方向弯 曲成波浪形。 • 通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电镜 下可以观察到微孔花样。 • 高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性 的。
a）10200×
b）12000×
图5-13 疲劳辉纹
• 由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般 略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件 下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数） 分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件 的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断 形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹， 绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材 料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加 载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式 的产生。
图5-2 实际的疲劳断口
（1）疲劳源区。是疲劳裂纹的萌生区，由多 个疲劳裂纹萌生点扩散并相遇而形成的区 域。 （2）疲劳裂纹扩展区。是疲劳裂纹的亚临界 扩展区，是疲劳断口上最重要的特征区域。 （3） 瞬时断裂区。即快速静断区。当疲劳 裂纹扩展到一定程度时，构件的有效承载 面承受不了当时的载荷而发生快速断裂。
（3）旋转弯曲疲劳断裂
• 许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。 • 旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面， 但无固定地点，疲劳源的数量可以是一个也可以 是多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总 是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。由此可 以根据疲劳源区与最后断裂区的相对位置推知轴 的旋转方向。 • 当轴的表面存在较大的应力集中时，可以出现多 个疲劳源区。此时最后断裂区将移至轴件的内部。
2、疲劳断裂应力很低 • 循环应力中最大应力幅值一般远低于材料的 强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲 疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为 静弯曲应为的20～40%；对于对称拉压疲劳 来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。 对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计 算公式为： σ-1 = (0.4 - 0.6)σb 或 σ-1 = 0.285 (σs+σb)
3.扭转疲劳断裂Байду номын сангаас
• 各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转 疲劳断裂的断口形貌，主要有三种类型。
（1）正向断裂
• 断裂表面与轴向成45角，即沿最大正应力作用的 平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状；双 向扭转时，其断裂面呈星状，应力集中较大的呈 锯齿状。
（2）切向断裂 • 断面与轴向垂直，即沿着最大切应力所在 平面断裂，横断面齐平。 • 正向断裂的宏观形貌一般为纤维状，不易 出现疲劳弧线。切向断裂较易出现疲劳弧 线。 （3）混合断裂 • 横断面呈阶梯状，即沿着最大切应力所在 平面起裂并在正应力作用下扩展引起的断 裂。
图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
图5-11 锯齿状断口
5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征 • 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。 • 疲劳辉纹的形貌随金属材料的组织结构、 晶粒位向及载荷性质的不同而发生多种变 化，通常具有以下特征：
a）塑性疲劳纹（1000×）
b）塑性疲（1000×）
图5-12 疲劳断口中的疲劳辉纹花样
（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小， 而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应 一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的 推进量； （2）疲劳辉纹的形状多为向前凸出的弧形条 痕。随着裂纹扩展速度的增加，线的曲率 加大。裂纹扩展过程中，如果遇到大块第 二相质点的阻碍，也可能出现反弧形或S形 弧线疲劳辉纹；
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征 1.金属疲劳断口宏观形貌 • 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
图5-1 疲劳断口示意图
• 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲 劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展 区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五 个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
（3）疲劳辉纹的排列方向取决于各段疲劳裂 纹的扩展方向。不同晶粒或同一晶粒双晶 界的两侧，或同一晶粒不同区域的扩展方 向不同，产生的疲劳辉纹的方向也不一样； （4）面心立方结构材料比体心立方结构材料 易于形成疲劳辉纹，平面应变状态比平面 应力状态易形成疲劳辉纹，一般应力太小 时观察不到疲劳辉纹；
（5）并非在所有的疲劳断口上都能观察到疲 劳辉纹，疲劳辉纹的产生与否取决于材料 性质、载荷条件及环境因素等多方面的影 响； （6）疲劳辉纹在常温下往往是穿晶的，而在 高温下也可以出现沿晶的辉纹； （7）疲劳辉纹有延性和脆性两种类型。
图5-14 脆性疲劳辉 纹与解理河流花样
图5-15 脆性疲劳辉 纹与解理台阶不同
垂直（250×）
的位向（250×）
图5-16 疲劳断口 中的轮胎花样 （6000×）
5.1.2 疲劳断裂失效的一般特征