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。

贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动.停歇、偶然过裁等.均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线（疲劳弧线）。贝纹线的清晰度不仅与林料的性质有关，而且与介质情况、温度条件每有关，材料的塑性好.温度高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是岀现在实际机件的疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中，而低周疲劳以及许多高强度钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推逬线。

贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线，表示裂纹沿表面扩展较慢.即材料对缺口不敏感例如低碳钢；相反，若围绕裂纹源成凹向弧线，说明裂纹沿表面扩展较内部快些，表示材料对缺口敏感，如高碳钢。

贝纹线间距也有不同。近疯芳源区贝纹线校细密.衣明裂纹扩展较慢；远离疯芮源区则贝纹线校稀疏.表明裂纹扩展较快。疲劳裂纹扩展区在断口所占据的面积为最大.而贝纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及应力幅等。随着应力幅的降低或材料韧性较好时.则贝纹区较大，贝纹线细而明显；反之随着应力幅的提高或材料韧性较差，贝IJ贝纹区较小，贝纹线粗而不明显。

当轴类机件拉压波劳时.若表面无应力集中（无缺口），贝懷纹因戳面上应力均等而沿截面等速扩展.贝纹线呈一簇平行的圆弧线。若机件表面存在应力集中（环形缺口）•则因載面袤层的应力比中间的高，裂纹沿袤层的扩展快于中间区；高应力时.瞬断区面积相对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边及中间扩展差别不大.贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向半椭圆弧变化。当机件弯曲疲劳时.其表面应力最大，中心最小.其贝纹线变化与缺口机件的拉压疲劳相似，如茨面又存在缺口造成应力集中.则其变化程度会更大。若机件为扭转疲劳对.其最大正应力和轴向呈45°角分布.最大切应力垂直或平行轴向分布.故疲劳断口有二类.一类为正断型.另一类为切断型。脆性材料常是正断型扭转疲劳，常见的有锯齿状断口及星形断口，呈纤维状，如花犍轴的断口。切应力引起的切断型疲劳断口.断面垂直或平行刊由线•此时不会岀现贝纹线，有廿扭转疲劳也会岀现混合断裂。

券上所述，应力集中影响贝纹线的形状•应力集中増大，相应妁贝纹线较平坦；名义应力影响最终瞬断区的大小.名义应力増大，最终破断区的面积増加；应力状态主要影响疲劳源的位置和数量.双向弯曲，最小有两个疲劳源以及相应的扩展区，旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。

上匕外，对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。这是由于裂纹扩展过程中，裂纹前沿的阻力不同，而发生扩展方面上的偏离，此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相交而形成台

阶。一次疲劳台阶岀现在疲劳源区，二次疲劳台阶岀现在疲劳裂纹妁扩展区，它指明了裂纹的扩展方向，并与贝纹线相垂直.呈放射状射线。

3.瞬时断裂区

由于疲劳裂纹不断扩展，使零件或试样的有效断面逐渐减小，因此，应力不断増加。对塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬吋断裂，当材料塑性很大时，断口呈纤维状，暗灰色；对脆性材料，当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸仁时.便发生瞬时断裂，断口呈结晶状。因此，瞬时断裂是一种静载断裂.它具有静载断裂的断口形貌.是裂纹最后失稳快速扩展所形成的斯口区域。

与其他两个区相比，瞬断区的明显待征是具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区。

瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状•应力集中程度.加载方式及大小以及环境等因素.若应力较高或材料韧性较差，则瞬断区面积较大；反之.则瞬断区就较小。

以上分别介绍了各种条件下岀现的疲劳断口三个区域的一般宏观特征，它们是判断零件疲劳失效的重要证据之一。但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多因素，诸如材料种类.程度级别及环境介质等，这些因素可能使断口三个区域的形貌及其界限模糊不清，所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型.分明。此外，在某些情况下，由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面在断裂过程中受到严重磨损等原因.以至于无法借助于它的宏视形貌来判断其失效性质。在另一些情况下.虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性质，但尚需进一步查明引起疲劳失效的原因，这时就需要借助于微观断口分析。