14-02第二章疲劳破坏特征及断口分析

第二章 疲劳破坏特征及断口分析
2.1 宏观断口特征 2.2 疲劳破坏机理 2.3 微观断口特征 2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
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2.1.1 疲劳破坏宏观断口特征
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
塑性断口
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2.2.1 金属的塑性变形
金属的塑性 变形方式: 滑移和孪生
滑移：滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和 晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动位移的现象。 滑移带：塑性变形的可见标记（金相显微镜）。
铜拉伸试样表面滑移带 500x
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疲劳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。
但并不是所有疲劳断口上都会有疲劳条带出现。 实验室进行的标准试样的等幅疲劳试验很少有 疲劳条带出现。
一般认为其形成与循环载荷的变化、裂纹扩展 忽快忽慢、裂纹扩展不均匀有关。
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疲劳裂 纹成核
扩展至临 界尺寸
断裂 发生
疲劳裂纹的起始或萌生过程，称为裂纹成核，成 核处——裂纹源。
裂纹起源（裂纹源）仍然是由于滑移引起的，表 面或应力集中处的局部某些晶粒中。
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循环加载时的滑移：
材料表面
材料表面
约0.1µm
a) 粗滑移
b) 细滑移
3、高倍电镜微观观察： “海滩条带”+“疲劳条纹”，使用载荷谱，估计速 率。
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疲劳断口观察工具与观察内容的关系:
观察 肉眼，放大镜 金相显微镜 电子显微镜工具源自放大 倍数1-10×
10-1000×
1000×以上
观察 宏观断口， 裂纹源，滑移， 条纹，微解理 对象 海滩条带； 夹杂，缺陷； 微孔聚合
是否疲劳破坏? （三个特征区） 何处为裂纹源？ （可以直接从断口处观察到） 裂纹临界尺寸? （扩展区大小） 破坏载荷？ （结合断裂力学知识计算） 是否正常破坏？ （与设计载荷比较）
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2、金相或低倍观察： 裂纹源？ 是否有材料缺陷？（夹杂、缩孔缩松、偏析等） 缺陷的类型和大小？
第二章 疲劳破坏特征及断口分析
2.1 宏观断口特征 2.2 疲劳破坏机理 2.3 微观断口特征 2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
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2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
疲劳破坏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，是失效 分析的重要依据。 1、断口宏观形貌:
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循环加载时的滑移：
N=104
N=5 104
N=2.7 105
（多晶体镍恒幅应力循环）
扰动载荷 ⇒应力集中 ⇒滑移带 ⇒驻留滑移带 ⇒微裂纹、扩展 ⇒宏观裂纹、扩展
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挤出脊和侵入沟：
挤出脊和侵入沟是疲劳过程中发生在金属表面的 另一种普遍现象。
3、瞬时断裂区：
疲劳源 缓慢扩展
K1>KIC σ> σb
断裂 发生
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 断区形貌与延性或脆性断口 形貌基本一致，比较粗糙， 也称粗粒区。
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瞬断区
塑性断口
脆性断口
瞬断区与静载破坏断口对比
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二、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。
三、工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形
起源于表面的裂纹，循环载荷作用下扩展，沿表 面扩展速度较快，沿深度方向扩展较慢，呈半椭圆形。
肉眼、低倍放大镜
疲劳条纹的间距一般随应力强度因子范围的增大而增大， 随着裂纹扩展长度的增加而增大。
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S
谱块 循环
t 条带 条纹
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疲劳条纹与海滩条带
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宏观裂纹一般在最大拉应力平面内扩展。
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8#, 50X Fatigue source (surface)
8#, 500X Fatigue source (surface)
3#, 50X
Fatigue source (internal)
3#, 500X
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萌生主要原因：
a) 构件结构形状不合理：截面突变、拐角、缺口等； b) 构件表面的组织缺陷如晶粒粗大等； c) 表面存在工艺缺陷：切削刀痕或划伤； d) 若在材料的次表面或内部存在严重的冶金缺陷如夹
渣、疏松、偏析时疲劳源也可能在此处产生；
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
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微观裂纹（第I阶段裂纹）扩展形成“主导”裂纹 一般认为微观裂纹沿裂纹尖端主滑移系方向以纯剪切的 方式，同时受微结构尺寸、应力水平、滑移特征、裂纹 尖端塑性等因素的影响。
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第二阶段扩展：
G. Laird 与G. C. Smith提出 了非结晶学模型用以描述疲 劳裂纹第二阶段的扩展—— 塑性钝化模型。
① 静载破坏 σ>[σ] ② 破坏是瞬间发生的。 ③ 整体结构破坏 ④ 断口粗糙，新鲜，无表面
磨蚀及腐蚀痕迹。 ⑤ 延性材料塑性变形明显。 ⑥ 应力集中对极限承载能力
影响不大。
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第二章 疲劳破坏特征及断口分析
2.1 宏观断口特征 2.2 疲劳破坏机理 2.3 微观断口特征 2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
钝化——锐化——再钝化 每一个应力循环，将在裂纹 面上留下一条痕迹（疲劳条 纹）。
疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型
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对于脆性材料疲劳裂纹扩展： 裂纹尖端沿解理面扩展。 扩展不起因于塑性变形，而 是解理断裂的结果。
同样，每一个应力循环，将 在裂纹面上留下一条痕迹 （疲劳条纹）。
位置。
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2、疲劳扩展区：
a) 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；
b) 断面通常可见“贝壳状条带”或“海滩条带” 载荷剧烈变动引起：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。
第一阶段扩展：
∆σ
循环 载荷 作用
驻留 滑移 带
几条 微裂 纹
一条 主裂 纹
材 料 表 面 阶段1 阶段2
D∆S σ 疲劳裂纹扩展二阶段
从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取 决于材料和作用应力水平，一般只有几个晶粒(1~4个)的尺 寸。
第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大， 对于高强材料，尤其如此。
滑移的临界分切应力：
滑移在切应力（剪应力）的作用下开动。
分切应力越大，滑移系越容易开动。 cosφcosλ称为取向因子，又称斯米 特（schmid）因子。
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2.2.2 疲劳裂纹萌生机理
早期错误的认识：循环加载时，材料的内部结构 发生了变化，塑性“纤维”结构——脆性“晶体” 结构。
疲劳条纹是一系列基本相互平行的条纹，条纹方向与局部 裂纹扩展方向垂直，并沿局部裂纹扩展方向外凸。是判断 疲劳断裂的基本依据之一。
由于材料内部微观组织的差异，裂纹扩展可能会由一个平 面转移至另一个平面，因此不同区域的疲劳条纹有时分布 在高度不同、方向有别的平面上。
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c) 扩展区呈现黑色或白色条纹： 黑色：疲劳断口的裂纹与外界环境相通，腐蚀 白色：裂纹与外界相隔绝；疲劳源在表面之下
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疲劳条带
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发动机叶片疲劳断口照片
翼梁下突缘 断口照片
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脆性断口
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一、有疲劳源、裂纹扩展区和最后断裂区
裂纹扩展区 海滩条带 最后断裂区 裂纹源
1、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。
疲劳断口三个特征区
飞机轮毂疲劳断口
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裂纹成核机理1：驻留滑移带中的侵入沟本身高度应力集中； 机理2 ：材料挤出，内部产生大量空穴、空洞等显微缺陷；
滑移带中裂纹的萌生及生长模型
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滑移带的侵入和挤出示意图
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2.2.3 疲劳裂纹扩展机理
Fatigue source (internal)
TC11焊接接头疲劳断口微观形貌
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2.1.2 疲劳破坏与静载破坏特征比较
① 疲劳破坏 σ＜[σ] ② 破坏是局部损伤累积的结果 ③ 局部性 ④ 断口光滑，有海滩条带或腐
蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩 展区、瞬断区。 ⑤ 无明显塑性变形。 ⑥ 应力集中对寿命影响大。
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理想情况下，每一条疲劳条纹代表一次对应的循环载荷， 即疲劳条纹数目应该与载荷循环数相等。但由于裂纹闭合 等因素的影响，循环载荷数远大于微观可见的疲劳条纹数。
疲劳条纹(striation) 不同于海滩条带(beach mark)
透射电镜：1-3万倍
裂纹萌生区域：
裂纹扩展区域：
第一阶段：断口光滑，具有晶体学特征，此外没有明显特征。
第二阶段：疲劳条纹（ striation ）—— 重要特征
滑移带和驻留滑移带
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Cr12Ni2WMoV 钢疲劳条纹 （透射电镜： 1~3万倍）
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扩展：疲劳裂纹生核——失稳扩展前 缓慢扩展过程 扩展：不连续的过程，该过程可分为两个阶段。
第一阶段扩展：属于显微裂纹扩 展，具有晶体学特征，受剪应力 控制；
第二阶段扩展：非结晶学特征， 沿垂直于载荷作用线的最大拉应 力面扩展，
∆σ
材 料 表 面
阶段1 阶段2
D∆S σ 疲劳裂纹扩展二阶段
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挤出脊和侵入 沟示意图
驻留滑移带、挤出脊和侵入沟均是疲劳裂纹萌 生的发源地。
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疲劳裂纹萌生模型：
P.Neumann提出的模型：以晶体中两个滑移系的交变滑 移和形变强化为基础。
伍德（wood）的挤出和侵入模型：
单向加载时滑移特征如(a) 循环加载时形成侵入(b)或挤出(c) 。
滑移系：
滑移面：原子排列最密的面
滑移方向：原子排列最密的方向
滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
滑移系
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脆性疲劳裂纹解理扩展模型
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第二章 疲劳破坏特征及断口分析
2.1 宏观断口特征 2.2 疲劳破坏机理 2.3 微观断口特征 2.4 由疲劳断口进行初步失效分析
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2.3 微观断口特征
微观分析目的：了解疲劳破坏过程的本质， 从金属微观组织研究疲劳机理。