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。若应力集中较大时，则沿周向缺口将同时有几个疲劳源产生，瞬断区的位置则在轴的内部。另外，最终瞬断区的位置还受轴上名义应力大小的影响。名义应力越大，瞬断区越移向轴的中央，如图l—4所示。

图1—5综合给出了上述各种弯曲应力条件下的疲劳断口形态图。

（2）轴向应力作用下的疲劳断口

轴向应力包括拉—拉或拉—压疲劳。它的疲劳源一般也在表面形成，只有内部有缺陷时才在缺陷处形成。断口形貌还与试件有无缺口有关。高应力轴向拉压疲劳断口，对光滑圆试件，裂纹从疲劳源向四周扩展速度基本相同。若应力高，疲劳扩展区小，瞬断区大，如图1—6（a）所示。若应力低，疲劳扩展区大，瞬断区小，如图1—6（d）所示。对于缺口试件，由于应力集中的作用，故疲劳源两侧裂纹扩展较快，如图1－6（b）、（c）所示。低应力轴向拉压疲劳断口与高应力断口类似，只是疲劳区和瞬断区大小不同。

（3）扭转应力作用下的疲劳断口

在扭转应力作用下的疲劳断口，可以分成二类，一类为正断型，另一类为切断型．对于脆性材料常按正断型方式断裂，而对于塑性材料则常按切断型方式断裂。也可以说还有二种方式兼有的复合断裂。

图1—7为扭转应力下的各种断口形态示意图。图中正，断型中的锯齿状和星型断口，在实际轴的疲劳破坏中能经常见到。

一个阶梯轴在反复扭转应力作用下，首先在轴的过渡圆角处产生很多个疲劳源，这些微裂纹同时与最大正应力相垂直的方向即与轴线呈45º交角的方向扩展，当这些相邻裂纹相交时，便形成锯齿状断口，其过程可用图1—8表示。图中（a）在反复扭转应力作用下形成疲劳源和产生微裂纹，（b）裂纹沿与轴线呈45˚的二个方向扩展，（c）形成锯齿状断面。

一个阶梯轴在弯曲应力作用下，由于轴径突然发生变化，则在过渡圆角处要产生应力集中，这时产生疲劳裂纹扩展方向也要与拉伸正应力相垂直，所以疲劳

断口常常不是一个平面，而是一个象碟子一样的曲面，常把这种形状断口称为皿型断口．图1—9表示皿型断口的形成过程。

如果阶梯轴承受旋转弯曲应力和单向脉动扭转应力的联合作用，则在过渡圆角附近可能发生多个疲劳源。由于扭矩的作用结果，裂纹将以螺旋状的方式向前扩展，最后这些裂纹在轴的中央汇合，形成棘轮状断口。如图1—10所示。

1.2 疲劳断口微观特征

（1）疲劳裂纹的形成

疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处最弱的及应力最大晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。

金属结构材料多数为多晶体。晶粒内的滑移是由沿着晶面移动的位错造成的。这样就使一个晶粒内出现一个或几个滑移面。这些滑移可以用光学或电子显微镜观测到。随着循环载荷作用次数的增加，滑移线不断增多和变粗，形成滑移带。试验证明，滑移带的形成并不一定都造成裂纹，只有少数滑移带可能变得更加明显。这种滑移带称“驻留滑移带”。由于滑移结果，特别是在驻留滑移带上形成“挤出”或“挤入”现象，继续循环加载，挤入部分向滑移带纵深发展，从而形成疲劳微裂纹，如图1—11所示。以后裂纹沿滑移带方向扩展，并穿过晶粒，直到形成宏观裂纹。

所以，零构件在疲劳载荷作用下，因位错运动而造成滑移带是产生疲劳裂纹最根本原因。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖缺口的作用，使应力集中，促使疲劳裂纹的形成。

（2）疲劳裂纹的扩展

疲劳裂纹扩展可以分为两个阶段。

第一个阶段：当疲劳裂纹核心一旦在零件表面滑移带或缺陷处形成后，立即沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展。此滑移面的取向大致与正应力呈45˚角，所以，第一阶段裂纹总是沿着最大切应力方向的滑移面扩展。

第二阶段：裂纹在第一阶段扩展的深度很浅，大约只有零点几个毫米，其范围在2—5个晶粒之内。然后将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响，这就是裂纹扩展的第二阶段。图1—12是疲劳裂纹扩展二个阶段的示意图。

对于一般材料来说，尽管第一阶段裂纹扩展深度很浅，但它对疲劳寿命的贡献却随疲劳应力幅的不同而有很大的不同。对应力幅较高的，如低周疲劳，第一阶段扩展在疲劳总寿命中所占的比例较低，第二阶段扩展是主要的，疲劳寿命主要决定于第二阶段扩展。但对于比较低的应力幅，则光滑试样疲劳总寿命至少有90％以上是由第一阶段扩展所贡献。

（3）疲劳裂纹形成机理