知识资料材料疲劳概述、典型疲劳断口及相应载荷特征

戴光泽教授

西南交通大学材料科学与工程学院第五章材料的疲劳

FatigueofMaterials第一节

材料疲劳现象及特点疲劳破坏的特征零件或构件在承受交变载荷的情况下，与静载时的负荷相比，可以在很低的应力水平下发生破坏，这种破坏我们称为“疲劳破坏”。疲劳破坏的最大特点是，即使在静载荷下表现出很大塑性变形的低碳钢，在疲劳断口上也很难观察到很大的塑性变形痕迹，而表现出脆性破坏的断口形貌（brittle-appearingfracture），而且，这种破坏没有任何先兆（withoutanyobviouswarning），非常突然，会造成很大的财产和人员的损失。疲劳破坏的三种类型

threebasicfactorscausingfatiguefailureamaximumtensilestressofsufficienthighvalue.2.alargeenoughvariationorfluctuationintheappliedstress.3.asufficientlylargenumberofcyclesoftheappliedstress.二

变动载荷和循环应力变动载荷：无规则随机变动应力周期变动应力举例:转轴类对称交变应力举例:应力幅值为0的静力作用循环应力波形可以是：正弦波、矩形波、三角波对称轴相对于横轴的位置：对称交变应力、脉动应力、波动应力不对称交变应力（图5-2e）循环应力参数（交变应力的描述）：应力循环：应力值每重复变化一次称为一个循环，例如：应力从最小值变到最大值，再变回到最小值。循环次数：应力重复变化的次数，用N表示。三疲劳现象及特点设计要求由于实际上零件或动结构的破坏，大部分是疲劳破坏，因此，在进行零件或动结构的设计时，除了静强度必须满足要求以外，确定零件或结构的疲劳强度是强度设计中另外一个重要的方面。确定材料的疲劳强度，一般都是通过疲劳试验（FatigueTest）进行的，而且都是在一定应力幅下进行的。疲劳的分类

疲劳试验机的种类

回转弯曲疲劳试验机、平面弯曲疲劳试验机、拉伸-压缩疲劳试验机、扭转疲劳试验机、组合应力疲劳试验机对称弯曲疲劳试验机

四疲劳宏观断口特征疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此，对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法。典型的疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹亚临界扩展区、瞬断区（疲劳裂纹快速扩展失稳区）。疲劳源

疲劳裂纹萌生的策源地，多出现在机件表面（表面质量对疲劳强度影响大），常出现在缺口、裂纹、刀痕、腐蚀坑等处。但是，若材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、偏析、白点等），也会因局部材料强度降低而在机件内部引发疲劳源。疲劳源区比较光亮（是反复挤压摩擦的结果）。

疲劳裂纹亚临界扩展区

断口较为光滑并且分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。瞬断区

为疲劳裂纹快速扩展失稳区，即在亚临界扩展区内的裂纹不断扩展达到临界尺寸后，裂纹快速扩展产生瞬断。断口粗糙，宏观特征如同静载，随材料性质而变化：脆性材料断口呈结晶状；韧性材料在心部平面应变区呈放射状或人字状纹路，边缘平面应力区则有剪切唇区存在。瞬断区在疲劳源的对侧。断口分析详述

疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹疲劳裂纹扩展区疲劳源区疲劳断裂的宏观分析（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。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。疲劳断裂的宏观分析疲劳断裂的宏观分析(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)。

疲劳断裂的宏观分析疲劳断裂的宏观分析疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)疲劳断裂的宏观分析(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。疲劳断裂的微观分析（1）疲劳源区的微观分析首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面,对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征,包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷(包括晶界、夹杂物和第二相粒子)等。疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据,是分析的重点。疲劳断裂的微观分析(2)疲劳扩展区的微观分析由于第一阶段的范围较小,尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带,疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征,对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起重要作用。疲劳断裂的微观分析(3)瞬断区微观特征分析

主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝（三种形式的韧窝）。搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。(a)等轴韧窝（微观分析）(b)剪切韧窝（微观分析）(c)撕裂韧窝（微观分析）(d)拉长韧窝（微观分析）韧性断口脆性断口引起疲劳断裂的载荷类型分析各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的,因此,在分析疲劳断裂失效时,首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。引起疲劳断裂的载荷类型分析(1)反复弯曲载荷引起的疲劳断裂构件承受弯曲载荷时,其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总是在表面形成,然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90°。①单向弯曲疲劳断口。在交变单向弯曲载荷作用下,疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。引起疲劳断裂的载荷类型分析②双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲载荷作用下,疲劳破坏源则从相对应的两边开始,几乎是同时向内扩展。③旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小,故疲劳源区在两侧,这里的裂纹扩展速度较快,中心部位较慢,且其疲劳线比较扁。由于在疲劳裂纹扩展的过程中,轴还在不断的旋转,疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转。因此,最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。引起疲劳断裂的载荷类型分析(2)拉-拉载荷引起的疲劳断裂当材料承受拉-拉(拉-压)交变载荷时,由于应力分布均匀,使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在零件的外表面,也可以在零件的内部,这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。引起疲劳断裂的载荷类型分析(3)扭转载荷引起的疲劳断裂

轴在交变扭转应力作用下,可能产生一种特殊的扭转疲劳断口,即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下,在相应各个起点上发生的裂纹,分别沿着±45°两个侧斜方向扩展(交变张应力最大的方向),相邻裂纹相交后形成锯齿状断口;在单向交变扭转应力的作用下,在相应各个起点上发生的裂纹只沿45°倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度,最后连接部分破断而形成棘轮状断口。低周疲劳断裂的判据(1)宏观特征

低周疲劳宏观断口除具有上述疲劳断裂宏观断口的一般特征之外,还有如下特征:①具有多个疲劳源,且往往是线源。源区间的放射状棱线(疲劳一次台阶)多而且台阶的高度差大。②瞬断区的面积所占比例大,甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区的面积。③疲劳弧线间距加大,稳定扩展区的棱线(疲劳二次台阶)粗且短。④整个断口高低不平,随着断裂循环数(Nf)的降低,断口形貌愈来愈接近静拉伸断口。低周疲劳断裂的判据(2)微观特征

由于宏观塑性变形较大,低周