金属疲劳断裂的特点

4.1 金属疲劳破坏的特点

零件在交变应力作用下损坏叫做疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏。例如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中，这类情况叫做拉-压疲劳。我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面已经提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。

4.1.1 疲劳破坏的特点

尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。

第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显

的预兆，而是突然地破坏。

第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服

强度。

第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。

4.1.2 疲劳断口分析

我们已经知道，疲劳损坏有裂纹的发生、扩展直至最终断裂三部分，对疲劳宏观断口的分析就可以证实这点（见图4-0）。

一个典型的疲劳断口总是由疲劳源，疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成。

疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。

图4-1是弯曲疲劳的断口。在承受低名义应力时，对于应力集中较小的，疲劳裂纹扩展区占的面积相对说比较大，而且最终断裂区并不正好位于疲劳源的对侧，而是以逆旋转方向偏离一个位置。对于应力集中较大的，不仅扩展区减小，而且最终断裂区已不在轴的表面，渐渐移向中心。在承受高名义应力时，即使对应力集中小的轴，表面的疲劳源已有多处，裂纹扩展形成棘轮形，最终断裂区位于轴的中心。对于高应力集中的轴，表面的疲劳源更多。

对扭转疲劳断口，可有三种型式，见图4-2。

(1)和轴内成45。，即沿最大拉应力作用的平面断裂，横断面呈星状。当应力集中较大时呈锯齿状。

(2)和轴向垂直，横断面呈阶梯状。

(3)和轴向平行，横断面呈阶梯状。

对第二、第三种情形，都是沿着最大切应力平面断裂。从理论上看，一般材料的剪切强度都低于材料自身的拉断强度。而对扭转轴，在表面上的拉应力和剪切力在数值上相等。之所以出现第一种断裂型式，是由于零件表面存在刀痕或损伤以及材料内部有缺陷而造成的。对扭转疲劳，一般看不到成贝壳状或海滩状的裂纹前沿线。