失效分析課件-6

1、1 2 第六章第六章 疲疲 勞勞 斷斷 裂裂 失失 效效 分分 析析 6.1 疲勞斷裂失效的基本形式和特征疲勞斷裂失效的基本形式和特征 6.2 疲勞斷口的形貌及其特征疲勞斷口的形貌及其特征 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 6.4 疲勞斷裂失效原因與預(yù)防疲勞斷裂失效原因與預(yù)防 3 6.1.1 6.1.1 疲勞斷裂失效的基本形式疲勞斷裂失效的基本形式 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 按疲勞斷裂的總周次的大小按疲勞斷裂的總周次的大?。∟f）可分為高周疲勞）可分為高周疲勞 （Nf105）和低周疲勞和低周疲勞（Nf104）； 按交變載荷的形式不同按交變載荷

2、的形式不同，可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、，可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、 扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞等；扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞等； 按零件服役的溫度及介質(zhì)條件按零件服役的溫度及介質(zhì)條件可分為機(jī)械疲勞（常溫、可分為機(jī)械疲勞（常溫、 空氣中的疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕?？諝庵械钠冢?、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲 勞等。勞等。 但：其基本形式只有兩種，即但：其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞由切應(yīng)力引起的切斷疲勞 及及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂，都是由。其它形式的疲勞斷裂，都是由 這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。這兩種基本

3、形式在不同條件下的復(fù)合。 4 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 5 1 1、切斷疲勞失效、切斷疲勞失效 切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引 起疲勞初裂紋萌生的起疲勞初裂紋萌生的力學(xué)條件力學(xué)條件是：切應(yīng)力缺口切斷是：切應(yīng)力缺口切斷 強(qiáng)度強(qiáng)度1；正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度；正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度1。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 切斷疲勞的切斷疲勞的特點(diǎn)特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變 場(chǎng)為平面應(yīng)力狀態(tài)；初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成場(chǎng)為平面應(yīng)力狀態(tài)；初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸

4、約成 45角，并沿其滑移面擴(kuò)展。角，并沿其滑移面擴(kuò)展。 6 由于由于面心立方結(jié)構(gòu)的單相金屬材料面心立方結(jié)構(gòu)的單相金屬材料的切斷強(qiáng)度一的切斷強(qiáng)度一 般略低于正斷強(qiáng)度，而在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件般略低于正斷強(qiáng)度，而在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件 下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性系數(shù)）下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性系數(shù)） 分別為分別為2.0、0.5、0.8，所以對(duì)于這類材料，其零件的，所以對(duì)于這類材料，其零件的 表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式多以切斷形式 破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞初裂紋，絕大破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞

5、初裂紋，絕大 多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。低強(qiáng)度高塑性材料低強(qiáng)度高塑性材料制作制作 的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及 較高的溫度條件都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。較高的溫度條件都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 7 2 2、正斷疲勞失效、正斷疲勞失效 正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初裂紋正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初裂紋 產(chǎn)生的產(chǎn)生的力學(xué)條件力學(xué)條件是：正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度是：正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度1，切應(yīng)，切應(yīng) 力缺口切斷強(qiáng)度力缺口切斷強(qiáng)度

6、1。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 正斷疲勞的正斷疲勞的特點(diǎn)特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變 場(chǎng)為平面應(yīng)變狀態(tài)；初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸場(chǎng)為平面應(yīng)變狀態(tài)；初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸 相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué)相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué) 平面擴(kuò)展。平面擴(kuò)展。 8 大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以正斷形大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以正斷形 式進(jìn)行的。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式式進(jìn)行的。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式 破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂破

7、壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂 紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較 深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)， 正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生。正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生。 高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振 幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲 勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 9 6.1.2 6.

8、1.2 疲勞斷裂失效的一般特征疲勞斷裂失效的一般特征 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 1 1、疲勞斷裂的突發(fā)性、疲勞斷裂的突發(fā)性 疲勞斷裂雖然經(jīng)過(guò)疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴(kuò)疲勞斷裂雖然經(jīng)過(guò)疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴(kuò) 展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)過(guò)程，但是由于斷裂前無(wú)明顯的展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)過(guò)程，但是由于斷裂前無(wú)明顯的 塑性變形和其它明顯征兆，所以斷裂具有很強(qiáng)的突塑性變形和其它明顯征兆，所以斷裂具有很強(qiáng)的突 發(fā)性。即使在靜拉伸條件下具有大量塑性變形的塑發(fā)性。即使在靜拉伸條件下具有大量塑性變形的塑 性材料，在交變應(yīng)力作用下也會(huì)顯示出宏觀脆性的性材料，在交變應(yīng)力作用下也會(huì)顯示出宏觀脆

9、性的 斷裂特征。因而斷裂是突然進(jìn)行的。斷裂特征。因而斷裂是突然進(jìn)行的。 10 2 2、疲勞斷裂應(yīng)力很低、疲勞斷裂應(yīng)力很低 循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力幅值一般遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限和循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力幅值一般遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限和 屈服極限。例如，對(duì)于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞來(lái)說(shuō)，經(jīng)屈服極限。例如，對(duì)于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞來(lái)說(shuō)，經(jīng)107次應(yīng)力循環(huán)次應(yīng)力循環(huán) 破斷的應(yīng)力僅為靜彎曲應(yīng)力的破斷的應(yīng)力僅為靜彎曲應(yīng)力的2040%；對(duì)于對(duì)稱拉壓疲勞；對(duì)于對(duì)稱拉壓疲勞 來(lái)說(shuō)，疲勞破壞的應(yīng)力水平還要更低一些。來(lái)說(shuō)，疲勞破壞的應(yīng)力水平還要更低一些。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 4 . 0( 1 b )6

10、. 0 )(285. 0 1bs 或或 對(duì)于鋼制構(gòu)件，在工程設(shè)計(jì)中采用的近似計(jì)算公式為：對(duì)于鋼制構(gòu)件，在工程設(shè)計(jì)中采用的近似計(jì)算公式為： 11 3 3、疲勞斷裂是一個(gè)損傷積累的過(guò)程、疲勞斷裂是一個(gè)損傷積累的過(guò)程 疲勞斷裂不是立即發(fā)生的，而往往經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間才疲勞斷裂不是立即發(fā)生的，而往往經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間才 完成的。疲勞初裂紋的萌生與擴(kuò)展均是多次應(yīng)力循環(huán)損傷完成的。疲勞初裂紋的萌生與擴(kuò)展均是多次應(yīng)力循環(huán)損傷 積累的結(jié)果。積累的結(jié)果。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 在工程上通常把試件上產(chǎn)生一條可見(jiàn)的初裂紋的應(yīng)力循在工程上通常把試件上產(chǎn)生一條可見(jiàn)的初裂紋的應(yīng)力循 環(huán)

11、周次（環(huán)周次（N0）或?qū)ⅲ┗驅(qū)0與試件的總壽命與試件的總壽命Nf的比值（的比值（N0/ Nf）作）作 為表征材料為表征材料疲勞裂紋萌生孕育期疲勞裂紋萌生孕育期的參量。的參量。 疲勞裂紋萌生的孕育期與應(yīng)力幅的大小、試件的形狀疲勞裂紋萌生的孕育期與應(yīng)力幅的大小、試件的形狀 及應(yīng)力集中狀況、材料性質(zhì)、溫度與介質(zhì)等因素有關(guān)。及應(yīng)力集中狀況、材料性質(zhì)、溫度與介質(zhì)等因素有關(guān)。 12 部分材料的部分材料的N0/ Nf值值 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 13 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 各因素對(duì)各因素對(duì)N0/ Nf值影響的趨勢(shì)值影響的

12、趨勢(shì) 14 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 4 4、疲勞斷裂對(duì)材料缺陷的敏感性、疲勞斷裂對(duì)材料缺陷的敏感性 金屬的疲勞失效具有對(duì)材料的各種缺陷均為敏金屬的疲勞失效具有對(duì)材料的各種缺陷均為敏 感的特點(diǎn)。因?yàn)槠跀嗔芽偸瞧鹪从谖⒘鸭y處。這感的特點(diǎn)。因?yàn)槠跀嗔芽偸瞧鹪从谖⒘鸭y處。這 些微裂紋有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工些微裂紋有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工 制造過(guò)程中留下的，有的則是使用過(guò)程中產(chǎn)生的。制造過(guò)程中留下的，有的則是使用過(guò)程中產(chǎn)生的。 15 5 5、疲勞斷裂對(duì)腐蝕介質(zhì)的敏感性、疲勞斷裂對(duì)腐蝕介質(zhì)的敏感性 金屬材料的疲勞斷裂除取決于材料本身的

13、性能金屬材料的疲勞斷裂除取決于材料本身的性能 外，還與零件運(yùn)行的環(huán)境條件有著密切的關(guān)系。對(duì)外，還與零件運(yùn)行的環(huán)境條件有著密切的關(guān)系。對(duì) 材料敏感的環(huán)境條件雖然對(duì)材料的靜強(qiáng)度也有一定材料敏感的環(huán)境條件雖然對(duì)材料的靜強(qiáng)度也有一定 的影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影的影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影 響來(lái)得顯著。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在腐蝕環(huán)境下材響來(lái)得顯著。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在腐蝕環(huán)境下材 料的疲勞極限較在大氣條件下低得多，甚至就沒(méi)有料的疲勞極限較在大氣條件下低得多，甚至就沒(méi)有 所說(shuō)的疲勞極限。所說(shuō)的疲勞極限。 6.1 6.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征 16

14、 6.2.1 6.2.1 疲勞斷口的宏觀形貌及其特征疲勞斷口的宏觀形貌及其特征 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 由于疲勞斷裂的過(guò)程不同于其他斷裂，因而形成了疲勞斷裂特有的斷口由于疲勞斷裂的過(guò)程不同于其他斷裂，因而形成了疲勞斷裂特有的斷口 形貌，這是疲勞斷裂分析時(shí)的根本依據(jù)。形貌，這是疲勞斷裂分析時(shí)的根本依據(jù)。 典型的疲勞斷口的宏觀形貌結(jié)構(gòu)可分典型的疲勞斷口的宏觀形貌結(jié)構(gòu)可分 為為疲勞核心疲勞核心、疲勞源區(qū)疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選疲勞裂紋的選 擇發(fā)展區(qū)擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)及及瞬時(shí)斷瞬時(shí)斷 裂區(qū)裂區(qū)等五個(gè)區(qū)域。一般疲勞斷口在宏觀等五個(gè)區(qū)域。一般疲勞斷口

15、在宏觀 上也可粗略地分為上也可粗略地分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋疲勞源區(qū)、疲勞裂紋 擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三個(gè)區(qū)域，大多數(shù)三個(gè)區(qū)域，大多數(shù) 工程構(gòu)件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察工程構(gòu)件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察 到三個(gè)區(qū)域，因此這一劃分更有實(shí)際意到三個(gè)區(qū)域，因此這一劃分更有實(shí)際意 義。義。更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時(shí)斷裂更粗略地可將其分為疲勞區(qū)和瞬時(shí)斷裂 區(qū)兩個(gè)部分。區(qū)兩個(gè)部分。 17 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 疲勞源 （1）疲勞源區(qū)：疲勞裂紋的）疲勞源區(qū)：疲勞裂紋的 萌生區(qū)，該區(qū)由于裂紋擴(kuò)展緩萌生區(qū)，該區(qū)由于裂紋擴(kuò)展緩 慢以及反復(fù)張開(kāi)閉合效應(yīng)，引慢以及

16、反復(fù)張開(kāi)閉合效應(yīng)，引 起斷口表面磨損而有起斷口表面磨損而有光亮和細(xì)光亮和細(xì) 晶的表面結(jié)構(gòu)晶的表面結(jié)構(gòu)。實(shí)際斷口上通。實(shí)際斷口上通 常是指常是指放射源的中心點(diǎn)或者貝放射源的中心點(diǎn)或者貝 殼線的曲率中心點(diǎn)殼線的曲率中心點(diǎn)。由于疲勞。由于疲勞 斷裂對(duì)表面缺陷非常敏感，因斷裂對(duì)表面缺陷非常敏感，因 此，疲勞源區(qū)常在金屬構(gòu)件的此，疲勞源區(qū)常在金屬構(gòu)件的 表面。但當(dāng)在構(gòu)件的心部或亞表面。但當(dāng)在構(gòu)件的心部或亞 表層存在較大的缺陷時(shí)，斷裂表層存在較大的缺陷時(shí)，斷裂 也可從構(gòu)件的心部和次表層開(kāi)也可從構(gòu)件的心部和次表層開(kāi) 始。始。 構(gòu)件表面，放射源的中心點(diǎn)構(gòu)件表面，放射源的中心點(diǎn) 18 6.2 6.2 疲勞斷口形

17、貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 疲勞源 構(gòu)件心部，貝殼線的曲率中心點(diǎn)構(gòu)件心部，貝殼線的曲率中心點(diǎn) 19 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 疲勞源 構(gòu)件次表層構(gòu)件次表層 多個(gè)疲勞源多個(gè)疲勞源 一般情況下，一個(gè)疲勞斷口只有一個(gè)疲勞源，但在反復(fù)彎曲時(shí)可出現(xiàn)一般情況下，一個(gè)疲勞斷口只有一個(gè)疲勞源，但在反復(fù)彎曲時(shí)可出現(xiàn) 兩個(gè)疲勞源；而在腐蝕環(huán)境中或者金屬構(gòu)件表面存在多處缺陷時(shí)，也兩個(gè)疲勞源；而在腐蝕環(huán)境中或者金屬構(gòu)件表面存在多處缺陷時(shí)，也 可形成多個(gè)疲勞源?？尚纬啥鄠€(gè)疲勞源。 20 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 （2）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：亞臨界擴(kuò)展區(qū)，疲勞

18、斷口上）疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：亞臨界擴(kuò)展區(qū)，疲勞斷口上最重要的特征區(qū)域最重要的特征區(qū)域。形。形 態(tài)多種多樣，可以是光滑的，也可以是磁狀的；可以有貝紋線，也可以不出態(tài)多種多樣，可以是光滑的，也可以是磁狀的；可以有貝紋線，也可以不出 現(xiàn)；可以是晶粒狀的，也可以是撕裂脊?fàn)畹取＞唧w形態(tài)取決于構(gòu)件所受的應(yīng)現(xiàn)；可以是晶粒狀的，也可以是撕裂脊?fàn)畹?。具體形態(tài)取決于構(gòu)件所受的應(yīng) 力狀態(tài)及運(yùn)行情況（包括力狀態(tài)及運(yùn)行情況（包括KImax、KImin、頻率、頻率f、環(huán)境、溫度等）。、環(huán)境、溫度等）。 u當(dāng)當(dāng)KImaxKICKImin時(shí)，可以出現(xiàn)撕裂脊時(shí)，可以出現(xiàn)撕裂脊 u當(dāng)當(dāng)KImaxKISCC時(shí)，可以出現(xiàn)結(jié)晶狀斷口時(shí)，可

19、以出現(xiàn)結(jié)晶狀斷口 u當(dāng)頻率當(dāng)頻率f高時(shí)可出現(xiàn)平斷口，而當(dāng)高時(shí)可出現(xiàn)平斷口，而當(dāng)f低時(shí)可以出現(xiàn)撕裂狀斷口低時(shí)可以出現(xiàn)撕裂狀斷口 u當(dāng)疲勞載荷中有壓應(yīng)力時(shí)，可使已開(kāi)裂的斷面相互摩擦而發(fā)亮當(dāng)疲勞載荷中有壓應(yīng)力時(shí)，可使已開(kāi)裂的斷面相互摩擦而發(fā)亮 u當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中有反復(fù)的開(kāi)機(jī)、停機(jī)動(dòng)作時(shí)，可有貝紋線出現(xiàn)當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中有反復(fù)的開(kāi)機(jī)、停機(jī)動(dòng)作時(shí)，可有貝紋線出現(xiàn) 21 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 （3）瞬時(shí)斷裂區(qū)：快速靜斷區(qū)，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，構(gòu)件）瞬時(shí)斷裂區(qū)：快速靜斷區(qū)，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，構(gòu)件 的有效承載面承受不了當(dāng)時(shí)的載荷而發(fā)生快速斷裂。斷口平面基本與主的有效

20、承載面承受不了當(dāng)時(shí)的載荷而發(fā)生快速斷裂。斷口平面基本與主 應(yīng)力方向垂直，粗糙的晶粒狀脆斷或呈放射線狀。對(duì)高塑性材料也可能應(yīng)力方向垂直，粗糙的晶粒狀脆斷或呈放射線狀。對(duì)高塑性材料也可能 出現(xiàn)纖維狀結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)纖維狀結(jié)構(gòu)。與過(guò)載斷裂相似與過(guò)載斷裂相似。 2疲勞斷口宏觀形貌的基本特征疲勞斷口宏觀形貌的基本特征 疲勞弧線：疲勞弧線：以疲勞源為中心，與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧以疲勞源為中心，與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的呈半圓形或扇形的弧 形線，又稱貝紋線或海灘花樣。對(duì)于形線，又稱貝紋線或海灘花樣。對(duì)于光滑試樣，疲勞弧線的圓心一般指光滑試樣，疲勞弧線的圓心一般指 向疲勞源區(qū)向疲勞源區(qū)；當(dāng)試樣表面有尖

21、銳缺口時(shí)，疲勞弧線的圓心指向疲勞源區(qū)當(dāng)試樣表面有尖銳缺口時(shí)，疲勞弧線的圓心指向疲勞源區(qū) 的相反方向的相反方向。 疲勞臺(tái)階：疲勞臺(tái)階：一次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞源區(qū)，二次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞裂紋的一次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞源區(qū)，二次疲勞臺(tái)階出現(xiàn)在疲勞裂紋的 擴(kuò)展區(qū)，與疲勞弧線相垂直，呈輻射狀，指明了疲勞裂紋擴(kuò)展的方向。擴(kuò)展區(qū)，與疲勞弧線相垂直，呈輻射狀，指明了疲勞裂紋擴(kuò)展的方向。 光亮區(qū)：光亮區(qū)：有時(shí)斷口上觀察不到疲勞弧線及臺(tái)階，而僅有光亮區(qū)與粗糙區(qū)之分有時(shí)斷口上觀察不到疲勞弧線及臺(tái)階，而僅有光亮區(qū)與粗糙區(qū)之分 ，則光亮區(qū)為疲勞區(qū)，粗糙區(qū)為瞬斷區(qū)。有時(shí)光亮區(qū)僅為疲勞源區(qū)。，則光亮區(qū)為疲勞區(qū)，粗糙區(qū)為瞬斷區(qū)

22、。有時(shí)光亮區(qū)僅為疲勞源區(qū)。 22 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 6.2.2 6.2.2 疲勞斷口各區(qū)域的位置與形狀：疲勞斷口各區(qū)域的位置與形狀：取決于構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)取決于構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng) 力幅及構(gòu)件的形狀力幅及構(gòu)件的形狀 載荷類型載荷類型 拉拉-壓（拉）壓（拉） 單向彎曲單向彎曲 雙向彎曲雙向彎曲 旋轉(zhuǎn)彎曲旋轉(zhuǎn)彎曲 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 高應(yīng)力高應(yīng)力低應(yīng)力低應(yīng)力 光滑試件光滑試件中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口光滑試件光滑試件 中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口 23 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 載荷類型載荷類型 拉拉-壓（拉）壓（拉） 單向彎

23、曲單向彎曲 雙向彎曲雙向彎曲 高應(yīng)力高應(yīng)力低應(yīng)力低應(yīng)力 光滑試件光滑試件中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口光滑試件光滑試件 中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口 24 1 1、彎曲疲勞斷裂、彎曲疲勞斷裂 金屬零件在交變的彎曲應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞金屬零件在交變的彎曲應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞 破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎 曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞三類。其共曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞三類。其共 同點(diǎn)是同點(diǎn)是初裂紋一般源于表面初裂紋一般源于表面，然后沿著與最大正應(yīng)然后沿著與最大正應(yīng) 力垂直的方向向內(nèi)擴(kuò)展力垂直的方向向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)剩余截面

24、不能承受外加，當(dāng)剩余截面不能承受外加 載荷時(shí)，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂。載荷時(shí)，構(gòu)件發(fā)生突然斷裂。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 25 （1 1）單向彎曲疲勞斷裂）單向彎曲疲勞斷裂 象吊車(chē)懸臂之類的零件，在工作時(shí)承受單向彎曲負(fù)荷。承象吊車(chē)懸臂之類的零件，在工作時(shí)承受單向彎曲負(fù)荷。承 受脈動(dòng)的單向彎曲應(yīng)力的零件，受脈動(dòng)的單向彎曲應(yīng)力的零件，其疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè)其疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè) 的表面上。疲勞核心一般為一個(gè)，斷口上可以看到呈同心圓狀的表面上。疲勞核心一般為一個(gè)，斷口上可以看到呈同心圓狀 的貝紋花樣，且呈凸向的貝紋花樣，且呈凸向。最后斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對(duì)面，外圍。

25、最后斷裂區(qū)在疲勞源區(qū)的對(duì)面，外圍 有剪切唇。有剪切唇。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 構(gòu)件的構(gòu)件的次表面存在較大缺陷時(shí)次表面存在較大缺陷時(shí)，疲勞核心也可能在次表面疲勞核心也可能在次表面 產(chǎn)生產(chǎn)生。在受到較大的應(yīng)力集中的影響時(shí)，疲勞孤線可能出現(xiàn)反在受到較大的應(yīng)力集中的影響時(shí)，疲勞孤線可能出現(xiàn)反 向（呈凹狀），并可能出現(xiàn)多個(gè)疲勞源區(qū)向（呈凹狀），并可能出現(xiàn)多個(gè)疲勞源區(qū)。 26 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 高應(yīng)力高應(yīng)力 低應(yīng)力低應(yīng)力 光滑試件光滑試件中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口光滑試件光滑試件 中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口 27 （2

26、 2）雙向彎曲疲勞斷裂）雙向彎曲疲勞斷裂 某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應(yīng)力的作用。零件某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應(yīng)力的作用。零件 在雙向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂，在雙向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂，其疲勞源區(qū)其疲勞源區(qū) 可能在零件的兩側(cè)表面，最后斷裂區(qū)在截面的內(nèi)部可能在零件的兩側(cè)表面，最后斷裂區(qū)在截面的內(nèi)部。 兩個(gè)疲勞核心并非同時(shí)產(chǎn)生，擴(kuò)展速度也不一樣，所兩個(gè)疲勞核心并非同時(shí)產(chǎn)生，擴(kuò)展速度也不一樣，所 以斷口上的疲勞斷裂區(qū)一般不完全對(duì)稱。材料的性質(zhì)以斷口上的疲勞斷裂區(qū)一般不完全對(duì)稱。材料的性質(zhì) 、負(fù)荷的大小、結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境因素等都對(duì)斷口的形、負(fù)荷的大小、結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境因素等都對(duì)斷口的形 貌有

27、影響，其趨勢(shì)與單向彎曲疲勞斷裂基本相同。貌有影響，其趨勢(shì)與單向彎曲疲勞斷裂基本相同。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 28 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 高應(yīng)力高應(yīng)力 低應(yīng)力低應(yīng)力 光滑試件光滑試件中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口光滑試件光滑試件 中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口 29 （3 3）旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂）旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂 許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂時(shí)，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂時(shí)，疲勞源區(qū)一般出現(xiàn)在表面疲勞源區(qū)一般出現(xiàn)在表面 ，但無(wú)固定地點(diǎn)，疲勞源的數(shù)量可以是一個(gè)也

28、可以是，但無(wú)固定地點(diǎn)，疲勞源的數(shù)量可以是一個(gè)也可以是 多個(gè)。多個(gè)。疲勞源區(qū)和最后斷裂區(qū)相對(duì)位置一般總是相對(duì)疲勞源區(qū)和最后斷裂區(qū)相對(duì)位置一般總是相對(duì) 于軸的旋轉(zhuǎn)方向而逆轉(zhuǎn)一個(gè)角度。由此可以根據(jù)疲勞于軸的旋轉(zhuǎn)方向而逆轉(zhuǎn)一個(gè)角度。由此可以根據(jù)疲勞 源區(qū)與最后斷裂區(qū)的相對(duì)位置推知軸的旋轉(zhuǎn)方向源區(qū)與最后斷裂區(qū)的相對(duì)位置推知軸的旋轉(zhuǎn)方向。 當(dāng)軸的表面存在較大的應(yīng)力集中時(shí)，可以出現(xiàn)多當(dāng)軸的表面存在較大的應(yīng)力集中時(shí)，可以出現(xiàn)多 個(gè)疲勞源區(qū)。此時(shí)最后斷裂區(qū)將移至軸件的內(nèi)部。個(gè)疲勞源區(qū)。此時(shí)最后斷裂區(qū)將移至軸件的內(nèi)部。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 30 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及

29、其特征疲勞斷口形貌及其特征 高應(yīng)力高應(yīng)力 低應(yīng)力低應(yīng)力 光滑試件光滑試件中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口光滑試件光滑試件 中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口 31 2 2、拉壓疲勞斷裂、拉壓疲勞斷裂 通常情況下，通常情況下，拉壓疲勞斷裂的疲勞核心多源于表面拉壓疲勞斷裂的疲勞核心多源于表面而不是而不是 內(nèi)部，這一點(diǎn)與靜載拉伸斷裂時(shí)不同。但內(nèi)部，這一點(diǎn)與靜載拉伸斷裂時(shí)不同。但當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在有明當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在有明 顯的缺陷時(shí)，疲勞初裂紋將起源于缺陷處顯的缺陷時(shí)，疲勞初裂紋將起源于缺陷處。此時(shí)，在斷口上將。此時(shí)，在斷口上將 出現(xiàn)兩個(gè)明顯的不同區(qū)域，一是光亮的圓形疲勞區(qū)（疲勞核心出現(xiàn)兩個(gè)明顯的不同區(qū)域，一

30、是光亮的圓形疲勞區(qū)（疲勞核心 在此中心附近），周?chē)撬矔r(shí)斷裂區(qū)。在疲勞區(qū)內(nèi)一般看不到在此中心附近），周?chē)撬矔r(shí)斷裂區(qū)。在疲勞區(qū)內(nèi)一般看不到 疲勞弧線，而在瞬時(shí)斷裂區(qū)具有明顯的放射花樣。疲勞弧線，而在瞬時(shí)斷裂區(qū)具有明顯的放射花樣。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 應(yīng)力集中和材料缺陷將影響疲勞核心的數(shù)量及其所在位置應(yīng)力集中和材料缺陷將影響疲勞核心的數(shù)量及其所在位置 ，瞬時(shí)斷裂區(qū)的相對(duì)大小與負(fù)荷大小及材料性質(zhì)有關(guān)。，瞬時(shí)斷裂區(qū)的相對(duì)大小與負(fù)荷大小及材料性質(zhì)有關(guān)。 32 2 2、拉壓疲勞斷裂、拉壓疲勞斷裂 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 高應(yīng)力高應(yīng)力

31、 低應(yīng)力低應(yīng)力 光滑試件光滑試件中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口光滑試件光滑試件 中等缺口中等缺口尖銳缺口尖銳缺口 33 3 3 扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂 各類各類傳動(dòng)軸件傳動(dòng)軸件的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。扭轉(zhuǎn)的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。扭轉(zhuǎn) 疲勞斷裂的斷口形貌，主要有三種類型。疲勞斷裂的斷口形貌，主要有三種類型。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 （1 1）正向斷裂）正向斷裂 斷裂表面與軸向成斷裂表面與軸向成45 角角，即沿最大正應(yīng)力作，即沿最大正應(yīng)力作 用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)時(shí)為螺旋狀；用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)時(shí)為螺旋狀； 雙向扭轉(zhuǎn)時(shí)，其斷裂面呈星狀

32、，應(yīng)力集中較大的呈雙向扭轉(zhuǎn)時(shí)，其斷裂面呈星狀，應(yīng)力集中較大的呈 鋸齒狀。鋸齒狀。 34 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 鋸齒狀斷口形成過(guò)程鋸齒狀斷口形成過(guò)程 35 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 鋸齒狀斷口鋸齒狀斷口 36 3 3 扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂 （2）切向斷裂）切向斷裂 斷面與軸向垂直斷面與軸向垂直，即沿著最大切應(yīng)力所在平面斷，即沿著最大切應(yīng)力所在平面斷 裂，裂，橫斷面齊平橫斷面齊平。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 （3）混合斷裂）混合斷裂 橫斷面呈階梯狀橫斷面呈階梯狀，即沿著最大切應(yīng)力所在平面，即沿著

33、最大切應(yīng)力所在平面 起裂并在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展引起的斷裂。起裂并在正應(yīng)力作用下擴(kuò)展引起的斷裂。 正向斷裂的宏觀形貌一般為纖維狀，不易出現(xiàn)正向斷裂的宏觀形貌一般為纖維狀，不易出現(xiàn) 疲勞弧線。切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。疲勞弧線。切向斷裂較易出現(xiàn)疲勞弧線。 37 4 4、振動(dòng)疲勞斷裂、振動(dòng)疲勞斷裂 許多機(jī)械設(shè)備及其零部件在工作時(shí)往往出現(xiàn)在其平衡位置附近作來(lái)回往許多機(jī)械設(shè)備及其零部件在工作時(shí)往往出現(xiàn)在其平衡位置附近作來(lái)回往 復(fù)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)在許多情況下都是有害的。它除了產(chǎn)復(fù)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)在許多情況下都是有害的。它除了產(chǎn) 生噪音和有損于建筑物的動(dòng)負(fù)荷外，還會(huì)顯著降低設(shè)備

34、的性能及工作壽命。生噪音和有損于建筑物的動(dòng)負(fù)荷外，還會(huì)顯著降低設(shè)備的性能及工作壽命。 由往復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的斷裂稱為振動(dòng)疲勞斷裂由往復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的斷裂稱為振動(dòng)疲勞斷裂。 當(dāng)外部的激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)激烈的共振當(dāng)外部的激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)激烈的共振 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。共振疲勞斷裂共振疲勞斷裂是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)疲勞斷裂的主要形式，除此之外，尚有是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)疲勞斷裂的主要形式，除此之外，尚有 顫振疲勞顫振疲勞及及喘振疲勞喘振疲勞。 振動(dòng)疲勞斷裂的斷口形貌與高頻率低應(yīng)力疲勞斷裂相似，振動(dòng)疲勞斷裂的斷口形貌與高頻率低應(yīng)力疲勞斷裂相似，具有高周疲勞具有高周疲勞

35、斷裂的所有基本特征斷裂的所有基本特征。振動(dòng)疲勞斷裂的疲勞核心一般源于最大應(yīng)力處，但引。振動(dòng)疲勞斷裂的疲勞核心一般源于最大應(yīng)力處，但引 起斷裂的原因，主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。因而應(yīng)通過(guò)改變構(gòu)件的形狀、尺寸起斷裂的原因，主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。因而應(yīng)通過(guò)改變構(gòu)件的形狀、尺寸 等等調(diào)整設(shè)備的自振頻率調(diào)整設(shè)備的自振頻率等措施予以避免。等措施予以避免。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 38 6.2.3 6.2.3 疲勞斷口的微觀形貌特征疲勞斷口的微觀形貌特征 1 1、疲勞斷裂的微觀形貌特征、疲勞斷裂的微觀形貌特征 疲勞斷口微觀形貌的基本特征是在電子顯微疲勞斷口微觀形貌的基本特征是在

36、電子顯微 鏡下觀察到的條狀花樣，通常稱為鏡下觀察到的條狀花樣，通常稱為疲勞條痕、疲疲勞條痕、疲 勞條帶、疲勞輝紋勞條帶、疲勞輝紋等。等。塑性疲勞輝紋塑性疲勞輝紋是具有一定是具有一定 間距的、垂直于裂紋擴(kuò)展方向、明暗相交且互相間距的、垂直于裂紋擴(kuò)展方向、明暗相交且互相 平行的條狀花樣平行的條狀花樣 。脆性疲勞紋脆性疲勞紋形態(tài)較復(fù)雜，大多形態(tài)較復(fù)雜，大多 呈呈羽毛狀羽毛狀。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 39 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 塑性疲勞紋（條紋狀） 脆性疲勞紋（羽毛狀） 40 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特

37、征 （1 1）疲勞輝紋的間距在裂紋擴(kuò)展初期較小，而后逐漸變大。每）疲勞輝紋的間距在裂紋擴(kuò)展初期較小，而后逐漸變大。每 一條疲勞輝紋間距對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中疲勞裂紋前沿向前一條疲勞輝紋間距對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中疲勞裂紋前沿向前 的推進(jìn)量；的推進(jìn)量； 疲勞輝紋的形貌隨金屬材料的組織結(jié)構(gòu)、晶粒位向及疲勞輝紋的形貌隨金屬材料的組織結(jié)構(gòu)、晶粒位向及 載荷性質(zhì)的不同而發(fā)生多種變化，通常具有以下特征：載荷性質(zhì)的不同而發(fā)生多種變化，通常具有以下特征： （2 2）疲勞輝紋的形狀多為向前凸出的弧形條痕。隨著裂紋擴(kuò)展）疲勞輝紋的形狀多為向前凸出的弧形條痕。隨著裂紋擴(kuò)展 速度的增加，線的曲率加大。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，如

38、果遇到大塊第速度的增加，線的曲率加大。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，如果遇到大塊第 二相質(zhì)點(diǎn)的阻礙，也可能出現(xiàn)反弧形或二相質(zhì)點(diǎn)的阻礙，也可能出現(xiàn)反弧形或S S形弧線疲勞輝紋；形弧線疲勞輝紋； （3 3）疲勞輝紋的排列方向取決于各段疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。）疲勞輝紋的排列方向取決于各段疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。 不同晶?；蛲痪Яｋp晶界的兩側(cè)，或同一晶粒不同區(qū)域的擴(kuò)不同晶?；蛲痪Яｋp晶界的兩側(cè)，或同一晶粒不同區(qū)域的擴(kuò) 展方向不同，產(chǎn)生的疲勞輝紋的方向也不一樣；展方向不同，產(chǎn)生的疲勞輝紋的方向也不一樣； 41 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 （4 4）面心立方結(jié)構(gòu)材料比體心立方結(jié)構(gòu)材料易于形成

39、疲勞輝）面心立方結(jié)構(gòu)材料比體心立方結(jié)構(gòu)材料易于形成疲勞輝 紋，平面應(yīng)變狀態(tài)比平面應(yīng)力狀態(tài)易形成疲勞輝紋，一般應(yīng)力紋，平面應(yīng)變狀態(tài)比平面應(yīng)力狀態(tài)易形成疲勞輝紋，一般應(yīng)力 太小時(shí)觀察不到疲勞輝紋；太小時(shí)觀察不到疲勞輝紋； （5 5）并非在所有的疲勞斷口上都能觀察到疲勞輝紋，疲勞輝紋）并非在所有的疲勞斷口上都能觀察到疲勞輝紋，疲勞輝紋 的產(chǎn)生與否取決于材料性質(zhì)、載荷條件及環(huán)境因素等多方面的的產(chǎn)生與否取決于材料性質(zhì)、載荷條件及環(huán)境因素等多方面的 影響；影響； （6 6）疲勞輝紋在常溫下往往是穿晶的，而在高溫下也可以出）疲勞輝紋在常溫下往往是穿晶的，而在高溫下也可以出 現(xiàn)沿晶的輝紋；現(xiàn)沿晶的輝紋； （7

40、 7）疲勞輝紋有延性和脆性兩種類型。）疲勞輝紋有延性和脆性兩種類型。 42 延性疲勞輝紋是指金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，延性疲勞輝紋是指金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)， 裂紋尖端金屬發(fā)生較大的塑性變形。疲勞條痕通常裂紋尖端金屬發(fā)生較大的塑性變形。疲勞條痕通常 是連續(xù)的，并向一個(gè)方向彎曲成波浪形。是連續(xù)的，并向一個(gè)方向彎曲成波浪形。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 通常在疲勞輝紋間存在有滑移帶，在電鏡下可通常在疲勞輝紋間存在有滑移帶，在電鏡下可 以觀察到微孔花樣。以觀察到微孔花樣。 高周疲勞斷裂時(shí)，其疲勞輝紋通常是延性的。高周疲勞斷裂時(shí)，其疲勞輝紋通常是延性的。 43 6.2 6.

41、2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 延性疲勞輝紋 44 脆性疲勞輝紋是指脆性疲勞輝紋是指疲勞裂紋沿解理平面擴(kuò)展疲勞裂紋沿解理平面擴(kuò)展， 尖端沒(méi)有或很少有塑性變形尖端沒(méi)有或很少有塑性變形，故又稱解理輝紋。在，故又稱解理輝紋。在 電鏡下既可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞輝紋電鏡下既可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞輝紋 ，又可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向一致的，又可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向一致的河流花樣及解河流花樣及解 理臺(tái)階理臺(tái)階。 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 脆性金屬材料脆性金屬材料及在及在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的高強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的高強(qiáng) 度塑性材料度塑性材料發(fā)生的疲

42、勞斷裂，或發(fā)生的疲勞斷裂，或緩慢加載的疲勞斷緩慢加載的疲勞斷 裂裂中，其疲勞輝紋通常是中，其疲勞輝紋通常是脆性脆性的。的。 45 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 脆性疲勞輝紋與解理河流花樣垂直脆性疲勞輝紋與解理河流花樣垂直脆性疲勞輝紋與解理臺(tái)階不同的位向脆性疲勞輝紋與解理臺(tái)階不同的位向 46 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 在一些包括面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼、體心在一些包括面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼、體心 立方結(jié)構(gòu)的合金結(jié)構(gòu)鋼、馬氏體不銹鋼等材料的疲勞立方結(jié)構(gòu)的合金結(jié)構(gòu)鋼、馬氏體不銹鋼等材料的疲勞 斷口上，尚可看到斷口上，尚可看到類似解理斷

43、裂狀河流花樣的疲勞溝類似解理斷裂狀河流花樣的疲勞溝 線線及及由硬質(zhì)點(diǎn)滾壓形成的輪胎花樣由硬質(zhì)點(diǎn)滾壓形成的輪胎花樣。 在其他材料中，疲勞條痕并不像在高強(qiáng)鋁合金那在其他材料中，疲勞條痕并不像在高強(qiáng)鋁合金那 樣清晰而具有規(guī)則性。例如，在鋼中，疲勞條痕的連樣清晰而具有規(guī)則性。例如，在鋼中，疲勞條痕的連 續(xù)情況是不規(guī)則的，有時(shí)表現(xiàn)出短而不連續(xù)的特征。續(xù)情況是不規(guī)則的，有時(shí)表現(xiàn)出短而不連續(xù)的特征。 在另外一些觀察中，卻看不到疲勞條痕，只看到一些在另外一些觀察中，卻看不到疲勞條痕，只看到一些 不規(guī)則的表面特征和一些獨(dú)立的韌窩。不規(guī)則的表面特征和一些獨(dú)立的韌窩。 47 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞

44、斷口形貌及其特征 疲勞斷口中的輪胎花樣疲勞斷口中的輪胎花樣4340高強(qiáng)鋼的疲勞輝紋高強(qiáng)鋼的疲勞輝紋 48 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 注意：注意： 對(duì)于工業(yè)上常用的合金結(jié)構(gòu)鋼，特別是對(duì)于工業(yè)上常用的合金結(jié)構(gòu)鋼，特別是 高強(qiáng)度鋼零件，許多情況下斷口上的大部分高強(qiáng)度鋼零件，許多情況下斷口上的大部分 面積呈現(xiàn)出靜載斷裂特征，有時(shí)甚至難以找面積呈現(xiàn)出靜載斷裂特征，有時(shí)甚至難以找 到疲勞輝紋，這給疲勞失效分析帶來(lái)一定的到疲勞輝紋，這給疲勞失效分析帶來(lái)一定的 困難。困難。 49 6.2 6.2 疲勞斷口形貌及其特征疲勞斷口形貌及其特征 （1 1）試樣厚度：試樣厚度越厚，越易出

45、現(xiàn)靜載斷裂花樣，它）試樣厚度：試樣厚度越厚，越易出現(xiàn)靜載斷裂花樣，它 能增高裂紋擴(kuò)展速率；能增高裂紋擴(kuò)展速率； （2 2）材料性質(zhì)：塑性材料比脆性材料更易出現(xiàn)疲勞輝紋。當(dāng)）材料性質(zhì)：塑性材料比脆性材料更易出現(xiàn)疲勞輝紋。當(dāng) 材料材料K KIC IC 60MPa 60MPa m m1/2 1/2時(shí)，斷口上的疲勞條帶減少，而各種類型 時(shí)，斷口上的疲勞條帶減少，而各種類型 的靜載斷裂花樣增多；的靜載斷裂花樣增多； （3 3）晶體的結(jié)構(gòu)類型：面心立方晶體較體心立方晶體更易出）晶體的結(jié)構(gòu)類型：面心立方晶體較體心立方晶體更易出 現(xiàn)疲勞條帶；現(xiàn)疲勞條帶； （4 4）加載水平：靜載斷裂花樣的出現(xiàn)主要取決于）加載

46、水平：靜載斷裂花樣的出現(xiàn)主要取決于K Kmax max，而對(duì) ，而對(duì) K K不敏感。不敏感。K Kmax max越高，越易出現(xiàn)靜載斷裂花樣。 越高，越易出現(xiàn)靜載斷裂花樣。 斷口上出現(xiàn)靜載斷裂花樣與下列因素有關(guān)：斷口上出現(xiàn)靜載斷裂花樣與下列因素有關(guān)： 50 6.3.1 6.3.1 機(jī)械疲勞斷裂機(jī)械疲勞斷裂 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 1 1、高周疲勞斷裂、高周疲勞斷裂 高周疲勞斷口的微觀基本特征是高周疲勞斷口的微觀基本特征是細(xì)小的疲勞輝紋細(xì)小的疲勞輝紋。此外，。此外， 有時(shí)尚可看到有時(shí)尚可看到疲勞溝線和輪胎花樣疲勞溝線和輪胎花樣。依此即可判斷斷裂的性。依此即可判

47、斷斷裂的性 質(zhì)是高周疲勞斷裂。但要注意載荷性質(zhì)、材料結(jié)構(gòu)和環(huán)境條質(zhì)是高周疲勞斷裂。但要注意載荷性質(zhì)、材料結(jié)構(gòu)和環(huán)境條 件的影響。件的影響。 機(jī)械疲勞斷裂（常溫、大氣）機(jī)械疲勞斷裂（常溫、大氣） 腐蝕疲勞斷裂（腐蝕環(huán)境）腐蝕疲勞斷裂（腐蝕環(huán)境） 金屬熱疲勞斷裂（高溫）金屬熱疲勞斷裂（高溫） 51 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 2 2、低周疲勞斷裂、低周疲勞斷裂 低周疲勞宏觀斷口上存在低周疲勞宏觀斷口上存在多疲勞源多疲勞源，整個(gè)斷口粗糙且高低，整個(gè)斷口粗糙且高低 不平。微觀基本特征是不平。微觀基本特征是粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與粗大的疲勞輝紋或粗大的疲勞輝紋與

48、 微孔花樣微孔花樣。同樣，低周疲勞斷口的微觀特征隨材料性質(zhì)、組。同樣，低周疲勞斷口的微觀特征隨材料性質(zhì)、組 織結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件的不同而有很大差別?？椊Y(jié)構(gòu)及環(huán)境條件的不同而有很大差別。 對(duì)于超高強(qiáng)度鋼，在加載頻率較低和振幅較大的條件下，低對(duì)于超高強(qiáng)度鋼，在加載頻率較低和振幅較大的條件下，低 周疲勞斷口上可能不出現(xiàn)疲勞輝紋而代之以沿晶斷裂和微孔花周疲勞斷口上可能不出現(xiàn)疲勞輝紋而代之以沿晶斷裂和微孔花 樣為特征。樣為特征。 熱穩(wěn)定不銹鋼的低周疲勞斷口上除具有典型的疲勞輝紋外，熱穩(wěn)定不銹鋼的低周疲勞斷口上除具有典型的疲勞輝紋外， 常出現(xiàn)大量的粗大滑移帶及密布著細(xì)小二次裂紋。常出現(xiàn)大量的粗大滑移帶及密布著

49、細(xì)小二次裂紋。 高溫條件下的低周疲勞斷裂，由于塑性變形容易，一般其疲高溫條件下的低周疲勞斷裂，由于塑性變形容易，一般其疲 勞輝紋更深、輝紋輪廓更為清晰，并且在輝紋間隔處往往出現(xiàn)勞輝紋更深、輝紋輪廓更為清晰，并且在輝紋間隔處往往出現(xiàn) 二次裂紋。二次裂紋。 52 3 3、振動(dòng)疲勞（微振疲勞）斷裂、振動(dòng)疲勞（微振疲勞）斷裂 金屬微振疲勞斷口的基本特征是金屬微振疲勞斷口的基本特征是細(xì)密的疲勞輝紋細(xì)密的疲勞輝紋，金屬共，金屬共 振疲勞斷口的特征與低周疲勞斷口相似。但在疲勞裂紋的起始振疲勞斷口的特征與低周疲勞斷口相似。但在疲勞裂紋的起始 部位通常可以看到部位通?？梢钥吹侥p的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色

50、的磨損的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色的 粉末粉末（鋼鐵材料為褐色；鋁、鎂材料為黑色）。（鋼鐵材料為褐色；鋁、鎂材料為黑色）。 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 只有在微振磨損條件下服役的零件，才有可能發(fā)生微振疲只有在微振磨損條件下服役的零件，才有可能發(fā)生微振疲 勞失效。勞失效。通常易于發(fā)生微振疲勞失效的零件有：鉚接螺栓、耳通常易于發(fā)生微振疲勞失效的零件有：鉚接螺栓、耳 片等緊固件；熱壓、過(guò)渡配合件，花鍵、鍵槽、夾緊件、萬(wàn)向片等緊固件；熱壓、過(guò)渡配合件，花鍵、鍵槽、夾緊件、萬(wàn)向 節(jié)頭、軸節(jié)頭、軸- -軸套配合件，齒輪軸套配合件，齒輪- -軸配合件，回?cái)[軸承，板簧以及

51、軸配合件，回?cái)[軸承，板簧以及 鋼絲繩等。鋼絲繩等。 53 4 4、接觸疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂 材料表面在較高的接觸壓應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力材料表面在較高的接觸壓應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力 循環(huán)，其接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊循環(huán)，其接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金屬剝落金屬剝落，形成，形成 麻點(diǎn)或凹坑麻點(diǎn)或凹坑，最后導(dǎo)致構(gòu)件失效的現(xiàn)象，稱之為接觸疲勞，最后導(dǎo)致構(gòu)件失效的現(xiàn)象，稱之為接觸疲勞， 也稱為接觸疲勞磨損或磨損疲勞。主要產(chǎn)生于滾動(dòng)接觸的機(jī)也稱為接觸疲勞磨損或磨損疲勞。主要產(chǎn)生于滾動(dòng)接觸的機(jī) 器零件如滾動(dòng)軸承、齒輪、凸輪、車(chē)輪等的表面。器零件如滾動(dòng)軸承、齒輪、凸輪、車(chē)輪等的表面。 6.3

52、 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 如果接觸疲勞源在材料表面產(chǎn)生，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)出現(xiàn)如果接觸疲勞源在材料表面產(chǎn)生，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)出現(xiàn) 麻點(diǎn)及導(dǎo)致表面金屬剝落；如果接觸疲勞裂紋源在材料的次表麻點(diǎn)及導(dǎo)致表面金屬剝落；如果接觸疲勞裂紋源在材料的次表 面產(chǎn)生，則引起表面層壓碎，導(dǎo)致工作面剝落面產(chǎn)生，則引起表面層壓碎，導(dǎo)致工作面剝落 。 接觸疲勞斷口和磨損疲勞斷口特征基本相同。其疲勞輝紋接觸疲勞斷口和磨損疲勞斷口特征基本相同。其疲勞輝紋 均因摩擦而呈現(xiàn)斷續(xù)狀和不清晰特征。均因摩擦而呈現(xiàn)斷續(xù)狀和不清晰特征。 54 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 齒面硬

53、度偏低和冶金缺陷導(dǎo)致的接觸疲齒面硬度偏低和冶金缺陷導(dǎo)致的接觸疲 勞（有大量麻坑、剝落和磨損痕跡）勞（有大量麻坑、剝落和磨損痕跡） 55 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 斷裂形貌（葉根的接觸面斷裂形貌（葉根的接觸面 上有接觸摩擦氧化斑痕上有接觸摩擦氧化斑痕 ） 接觸摩擦區(qū)組織被歪扭接觸摩擦區(qū)組織被歪扭 斷口特征（多裂紋源形成疲勞臺(tái)階并伴斷口特征（多裂紋源形成疲勞臺(tái)階并伴 有二次裂紋）有二次裂紋） 15Cr12WMo葉片接觸疲勞損壞葉片接觸疲勞損壞 56 6.3.2 腐蝕疲勞斷裂腐蝕疲勞斷裂 金屬零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下導(dǎo)致的斷裂金屬零件在交變應(yīng)力和腐蝕介

54、質(zhì)的共同作用下導(dǎo)致的斷裂 ，稱為腐蝕疲勞斷裂。，稱為腐蝕疲勞斷裂。 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 由于交變應(yīng)力的作用，使環(huán)境介質(zhì)能夠與不斷產(chǎn)生的新由于交變應(yīng)力的作用，使環(huán)境介質(zhì)能夠與不斷產(chǎn)生的新 金屬表面發(fā)生作用，使得腐蝕疲勞初裂紋以比恒定載荷下的金屬表面發(fā)生作用，使得腐蝕疲勞初裂紋以比恒定載荷下的 應(yīng)力腐蝕快得多的速度進(jìn)行擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕快得多的速度進(jìn)行擴(kuò)展。 57 （3 3）材料的腐蝕疲勞不存在疲勞極限。即，金）材料的腐蝕疲勞不存在疲勞極限。即，金 屬材料屬材料在任何給定的應(yīng)力條件下在任何給定的應(yīng)力條件下，經(jīng)無(wú)限次循環(huán)作用，經(jīng)無(wú)限次循環(huán)作用 后終將導(dǎo)致腐蝕疲勞

55、破壞，這已為眾多實(shí)驗(yàn)證實(shí)。后終將導(dǎo)致腐蝕疲勞破壞，這已為眾多實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 2 2、腐蝕疲勞破壞的特點(diǎn)、腐蝕疲勞破壞的特點(diǎn) （1 1）腐蝕疲勞不需要特定的腐蝕系統(tǒng)。這一）腐蝕疲勞不需要特定的腐蝕系統(tǒng)。這一 點(diǎn)與應(yīng)力腐蝕破壞不同。它在不含任何特定腐蝕離點(diǎn)與應(yīng)力腐蝕破壞不同。它在不含任何特定腐蝕離 子的蒸餾水中也能發(fā)生。子的蒸餾水中也能發(fā)生。 （2 2）任何金屬材料均可能發(fā)生腐蝕疲勞，即）任何金屬材料均可能發(fā)生腐蝕疲勞，即 使是純金屬也能產(chǎn)生腐蝕疲勞。使是純金屬也能產(chǎn)生腐蝕疲勞。 58 （5 5）腐蝕疲勞初裂紋的擴(kuò)展受應(yīng)力循環(huán)周次）腐蝕疲勞

56、初裂紋的擴(kuò)展受應(yīng)力循環(huán)周次 的控制，不循環(huán)時(shí)裂紋不擴(kuò)展。低應(yīng)力頻率和低的控制，不循環(huán)時(shí)裂紋不擴(kuò)展。低應(yīng)力頻率和低 負(fù)荷交互作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度加大。溫度升高負(fù)荷交互作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度加大。溫度升高 加速擴(kuò)展。一般腐蝕介質(zhì)的濃度越高，則腐蝕疲加速擴(kuò)展。一般腐蝕介質(zhì)的濃度越高，則腐蝕疲 勞越激烈。勞越激烈。 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 2 2、腐蝕疲勞破壞的特點(diǎn)、腐蝕疲勞破壞的特點(diǎn) （4 4）由于腐蝕介質(zhì)的影響，使）由于腐蝕介質(zhì)的影響，使 N N曲線明曲線明 顯地向低值方向推移，即材料的疲勞強(qiáng)度顯著降顯地向低值方向推移，即材料的疲勞強(qiáng)度顯著降 低，疲勞初裂紋形成

57、的孕育期顯著縮短。低，疲勞初裂紋形成的孕育期顯著縮短。 59 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率與鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率與 環(huán)境水蒸汽濃度的關(guān)系環(huán)境水蒸汽濃度的關(guān)系 機(jī)械疲勞與腐蝕疲勞之比較機(jī)械疲勞與腐蝕疲勞之比較 60 3 3、腐蝕疲勞斷裂的斷口特征、腐蝕疲勞斷裂的斷口特征 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 （1 1）脆性斷裂，斷口附近無(wú)塑變脆性斷裂，斷口附近無(wú)塑變。斷口上也有純機(jī)械。斷口上也有純機(jī)械 疲勞斷口的宏觀特征，但疲勞源區(qū)一般不明顯。斷裂多疲勞斷口的宏觀特征，但疲勞源區(qū)一般不明顯。斷裂多 源自表面缺陷或腐

58、蝕坑底部。源自表面缺陷或腐蝕坑底部。 （2 2）微觀斷口）微觀斷口可見(jiàn)疲勞輝紋，但由于腐蝕介質(zhì)的可見(jiàn)疲勞輝紋，但由于腐蝕介質(zhì)的 作用而模糊不清；二次裂紋較多并具有泥紋花樣作用而模糊不清；二次裂紋較多并具有泥紋花樣。通常，。通常， 隨著加載頻率的降低，斷口上的疲勞特征花樣逐漸減少隨著加載頻率的降低，斷口上的疲勞特征花樣逐漸減少 ，而靜載腐蝕斷裂（應(yīng)力腐蝕）特征花樣則逐漸增多。，而靜載腐蝕斷裂（應(yīng)力腐蝕）特征花樣則逐漸增多。 （3 3）屬于多源疲勞；裂紋的走向可以是穿晶型的也可能）屬于多源疲勞；裂紋的走向可以是穿晶型的也可能 是沿晶型的，而且是沿晶型的，而且裂紋通常是成群裂紋通常是成群的。的。主裂

59、紋附近出現(xiàn)多主裂紋附近出現(xiàn)多 條次裂紋的現(xiàn)象條次裂紋的現(xiàn)象，是腐蝕疲勞失效的表面特征之一，是腐蝕疲勞失效的表面特征之一 。 61 3 3、腐蝕疲勞斷裂的斷口特征、腐蝕疲勞斷裂的斷口特征 6.3 6.3 疲勞斷裂失效類型與鑒別疲勞斷裂失效類型與鑒別 （4 4）斷口上的腐蝕產(chǎn)物與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)相一致。）斷口上的腐蝕產(chǎn)物與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)相一致。 當(dāng)斷口上既有疲勞特征又有腐蝕疲勞痕跡時(shí)，顯然可判當(dāng)斷口上既有疲勞特征又有腐蝕疲勞痕跡時(shí)，顯然可判 斷為腐蝕疲勞破壞。但是，當(dāng)斷口未見(jiàn)明顯宏觀腐蝕跡象斷為腐蝕疲勞破壞。但是，當(dāng)斷口未見(jiàn)明顯宏觀腐蝕跡象 ，而又無(wú)腐蝕產(chǎn)物時(shí)，也不能認(rèn)為，此種斷裂就一定是機(jī)，而

60、又無(wú)腐蝕產(chǎn)物時(shí)，也不能認(rèn)為，此種斷裂就一定是機(jī) 械疲勞。械疲勞。 如鈍化態(tài)的不銹鋼腐蝕疲勞，如鈍化態(tài)的不銹鋼腐蝕疲勞，通常并看不到明顯通常并看不到明顯 的腐蝕產(chǎn)物，而后者在不銹鋼工程事故中卻是經(jīng)?？梢杂龅母g產(chǎn)物，而后者在不銹鋼工程事故中卻是經(jīng)?？梢杂?到的。到的。 由于影響腐蝕疲勞的因素很多，且在很多情況下，腐由于影響腐蝕疲勞的因素很多，且在很多情況下，腐 蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕的斷口有許多相似之處，因此，希望單蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕的斷口有許多相似之處，因此，希望單 憑斷口特征來(lái)判斷腐蝕疲勞是危險(xiǎn)的，必須綜合分析各種憑斷口特征來(lái)判斷腐蝕疲勞是危險(xiǎn)的，必須綜合分析各種 因素的作用，才能做出準(zhǔn)確的判斷。因