1、1第五章第五章 疲勞斷裂疲勞斷裂 1 引言引言 2 疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展 3 疲勞斷口形貌特征疲勞斷口形貌特征 4 影響疲勞斷口形貌的因素影響疲勞斷口形貌的因素 5 腐蝕疲勞腐蝕疲勞21 1 引言引言1、定義、定義: 由于由于交變應(yīng)力或循環(huán)載荷交變應(yīng)力或循環(huán)載荷所引起的低應(yīng)力脆斷。所引起的低應(yīng)力脆斷。 在所有的損壞中，疲勞斷裂的比例最高，約占在所有的損壞中，疲勞斷裂的比例最高，約占70%2、類型、類型:依負(fù)載和環(huán)境條件的不同，分為五類：依負(fù)載和環(huán)境條件的不同，分為五類：高周疲勞：高周疲勞：材料在低應(yīng)力（材料在低應(yīng)力（0.2）的作用下而壽命較高）的作用下而壽命較高 （Nf 1

2、05）的疲勞）的疲勞低周疲勞：低周疲勞：材料在反復(fù)變化的大應(yīng)力或大應(yīng)變作用下，使材材料在反復(fù)變化的大應(yīng)力或大應(yīng)變作用下，使材 料的局部應(yīng)力往往超過(guò)料的局部應(yīng)力往往超過(guò)0.2 ，在斷裂過(guò)程中產(chǎn)，在斷裂過(guò)程中產(chǎn) 生較大塑性變形，是一種短壽命（生較大塑性變形，是一種短壽命（Nf 102 105）的疲勞）的疲勞3接觸疲勞：接觸疲勞：材料在較高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力材料在較高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力 循環(huán)后，其接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金循環(huán)后，其接觸面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金 屬剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，導(dǎo)致材料失效的現(xiàn)象屬剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，導(dǎo)致材料失效的現(xiàn)象 （齒輪相互接觸）

3、（齒輪相互接觸）熱疲勞：熱疲勞：由溫度起伏（升高或降低）或熱循環(huán)效應(yīng)引起的疲由溫度起伏（升高或降低）或熱循環(huán)效應(yīng)引起的疲 勞損壞。如熱軋輥、熱壓模具表面出現(xiàn)的勞損壞。如熱軋輥、熱壓模具表面出現(xiàn)的“龜裂龜裂”腐蝕疲勞：腐蝕疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的失材料在循環(huán)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的失 效現(xiàn)象（腐蝕坑）效現(xiàn)象（腐蝕坑）4依載荷類型的特點(diǎn)，分為三類：依載荷類型的特點(diǎn)，分為三類：1、彎曲疲勞、彎曲疲勞（單向、雙向、旋轉(zhuǎn)）（單向、雙向、旋轉(zhuǎn)）2、軸向疲勞、軸向疲勞（拉（拉拉、拉拉、拉壓）壓）3、扭轉(zhuǎn)疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞單向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖單向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖5雙向彎

4、曲疲勞受力及斷裂示意圖雙向彎曲疲勞受力及斷裂示意圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞受力及斷裂示意圖旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞受力及斷裂示意圖6扭轉(zhuǎn)疲勞受力示意圖扭轉(zhuǎn)疲勞受力示意圖73 3、疲勞斷裂的一般特征、疲勞斷裂的一般特征疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載下材料的疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載下材料的b低，甚至比低，甚至比0.2低很多，斷低很多，斷 裂前無(wú)明顯的塑性變形，是一種裂前無(wú)明顯的塑性變形，是一種低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象破壞現(xiàn)象疲勞斷裂是疲勞斷裂是損傷累積損傷累積過(guò)程的結(jié)果，是與時(shí)間相關(guān)的破壞方式。它過(guò)程的結(jié)果，是與時(shí)間相關(guān)的破壞方式。它 包括裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段，不同階段損傷方式和包括裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段

5、，不同階段損傷方式和 損傷量不同損傷量不同工程構(gòu)件對(duì)疲勞抗力比對(duì)靜載荷要敏感得多。其疲勞抗力不僅取工程構(gòu)件對(duì)疲勞抗力比對(duì)靜載荷要敏感得多。其疲勞抗力不僅取 決于材料本身特性，而且與其形狀、尺寸、表面質(zhì)量、服役條件、決于材料本身特性，而且與其形狀、尺寸、表面質(zhì)量、服役條件、 環(huán)境等密切相關(guān)環(huán)境等密切相關(guān)微觀上，疲勞斷裂一般為微觀上，疲勞斷裂一般為穿晶斷裂穿晶斷裂，也屬一種，也屬一種脆性穿晶脆性穿晶84 4、疲勞斷裂過(guò)程、疲勞斷裂過(guò)程 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生: 表面（次表面、內(nèi)部）表面（次表面、內(nèi)部） 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展（兩個(gè)階段）（兩個(gè)階段）9第一階段：第一階段：裂紋起源于材料表

6、面，向內(nèi)部擴(kuò)展裂紋起源于材料表面，向內(nèi)部擴(kuò)展 范圍較小，約范圍較小，約25個(gè)晶粒之內(nèi)個(gè)晶粒之內(nèi) 顯微形貌不好分辨顯微形貌不好分辨 與拉伸軸約成與拉伸軸約成45角，裂紋擴(kuò)展主要是由于角，裂紋擴(kuò)展主要是由于 的作用的作用 擴(kuò)展速度很慢，每一應(yīng)力循環(huán)只有擴(kuò)展速度很慢，每一應(yīng)力循環(huán)只有埃埃數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)第二階段：第二階段：斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平 裂紋擴(kuò)展路徑是穿晶的裂紋擴(kuò)展路徑是穿晶的 擴(kuò)展速度快，每一應(yīng)力循環(huán)擴(kuò)展速度快，每一應(yīng)力循環(huán)微米微米數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) 顯微特征：疲勞輝紋顯微特征：疲勞輝紋102 2 疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理（模型）疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理（模型）一、疲勞裂紋

7、萌生機(jī)理一、疲勞裂紋萌生機(jī)理1、擠出擠入模型、擠出擠入模型Wood模型模型11金屬表面形成的擠出脊與擠入溝金屬表面形成的擠出脊與擠入溝122、位錯(cuò)銷毀模型、位錯(cuò)銷毀模型藤田模型藤田模型兩列平行的異號(hào)刃位錯(cuò)，在相距幾個(gè)原子間隔兩列平行的異號(hào)刃位錯(cuò)，在相距幾個(gè)原子間隔（約（約10埃）的兩平行滑移面上互相對(duì)峙塞積；埃）的兩平行滑移面上互相對(duì)峙塞積；由于這種位錯(cuò)排列所產(chǎn)生的高拉應(yīng)力引起原子由于這種位錯(cuò)排列所產(chǎn)生的高拉應(yīng)力引起原子面分離，形成孔洞面分離，形成孔洞133 3、空穴模型、空穴模型MottMott模型模型由于螺位錯(cuò)圍繞著環(huán)形通道，進(jìn)行連續(xù)交叉滑移運(yùn)動(dòng)，由于螺位錯(cuò)圍繞著環(huán)形通道，進(jìn)行連續(xù)交叉滑移

8、運(yùn)動(dòng)，結(jié)果從表面上擠出了材料的一個(gè)舌片，并相應(yīng)地形成結(jié)果從表面上擠出了材料的一個(gè)舌片，并相應(yīng)地形成了一個(gè)空穴，這個(gè)空穴就是疲勞裂紋源了一個(gè)空穴，這個(gè)空穴就是疲勞裂紋源144、位錯(cuò)交叉滑移模型、位錯(cuò)交叉滑移模型Cottrell和和Hull模型模型15二、疲勞裂紋擴(kuò)展模型二、疲勞裂紋擴(kuò)展模型1、連續(xù)擴(kuò)展模型（塑性鈍化模型）、連續(xù)擴(kuò)展模型（塑性鈍化模型）A、交變應(yīng)力為、交變應(yīng)力為0時(shí)，裂紋閉合時(shí)，裂紋閉合B、當(dāng)受拉應(yīng)力時(shí)裂紋張開，尖角處由于、當(dāng)受拉應(yīng)力時(shí)裂紋張開，尖角處由于 應(yīng)力集中沿應(yīng)力集中沿45方向產(chǎn)生滑移方向產(chǎn)生滑移C、L max ，滑移區(qū)擴(kuò)大，使裂紋，滑移區(qū)擴(kuò)大，使裂紋 尖端變形成近似半圓，

9、由銳尖端變形成近似半圓，由銳鈍鈍D、當(dāng)受壓應(yīng)力時(shí)，滑移沿相反方向進(jìn)行、當(dāng)受壓應(yīng)力時(shí)，滑移沿相反方向進(jìn)行 裂紋面被壓近，裂紋尖端被彎折成裂紋面被壓近，裂紋尖端被彎折成 耳環(huán)狀切口耳環(huán)狀切口E、Y max ，裂紋表面被壓合，尖，裂紋表面被壓合，尖 端由鈍端由鈍銳，形成一個(gè)尖角，裂紋向銳，形成一個(gè)尖角，裂紋向 前擴(kuò)展一個(gè)條紋前擴(kuò)展一個(gè)條紋 162、不連續(xù)擴(kuò)展模型、不連續(xù)擴(kuò)展模型A、裂紋尖端塑性區(qū)在疲勞過(guò)程中部分累積損傷，形成顯微空穴、裂紋尖端塑性區(qū)在疲勞過(guò)程中部分累積損傷，形成顯微空穴B、裂紋在拉應(yīng)力作用下變鈍、裂紋在拉應(yīng)力作用下變鈍C、未裂開的裂紋與空穴之間的部分受拉應(yīng)力作用而變細(xì)，最后、未裂開的

10、裂紋與空穴之間的部分受拉應(yīng)力作用而變細(xì)，最后 導(dǎo)致兩部分連接，使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致兩部分連接，使裂紋擴(kuò)展 a17疲勞斷口形貌特征疲勞斷口形貌特征一、宏觀形貌特征一、宏觀形貌特征斷口組成：斷口組成：裂源區(qū)、平滑區(qū)、瞬斷區(qū)裂源區(qū)、平滑區(qū)、瞬斷區(qū)18三區(qū)特征：三區(qū)特征：1、裂源區(qū)、裂源區(qū) 位于材料表面、次表面或內(nèi)部位于材料表面、次表面或內(nèi)部 光滑、細(xì)潔的扇形小區(qū)域光滑、細(xì)潔的扇形小區(qū)域 多源裂紋多源裂紋2、平滑區(qū)、平滑區(qū) 貝紋線（貝紋線（conchoidal、前沿線、年輪、海灘狀）、前沿線、年輪、海灘狀） 產(chǎn)生：產(chǎn)生：表示裂紋前沿在間歇擴(kuò)展時(shí)的依次位置，它是機(jī)表示裂紋前沿在間歇擴(kuò)展時(shí)的依次位置，它是機(jī) 器

11、在開車、停車或負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)造成的器在開車、停車或負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)造成的19形狀：形狀：一條條同心的圓弧一條條同心的圓弧 若年輪繞裂源成為向外凸起的同心圓，表示材料若年輪繞裂源成為向外凸起的同心圓，表示材料 對(duì)缺不敏感（如低碳鋼）對(duì)缺不敏感（如低碳鋼） 若年輪繞裂紋源成凹杯或凹狀，則材料對(duì)缺口敏感若年輪繞裂紋源成凹杯或凹狀，則材料對(duì)缺口敏感20變化規(guī)律：變化規(guī)律：若年輪間距變化是規(guī)則的，則所受應(yīng)力變化規(guī)則若年輪間距變化是規(guī)則的，則所受應(yīng)力變化規(guī)則 若年輪間距較小時(shí)，則表示疲勞裂紋擴(kuò)展較緩若年輪間距較小時(shí)，則表示疲勞裂紋擴(kuò)展較緩 慢，材料較韌慢，材料較韌顏色：顏色：黑色或褐色，因斷口表面受到空氣、

12、水、水蒸汽或其黑色或褐色，因斷口表面受到空氣、水、水蒸汽或其 它介質(zhì)作用而氧化或腐蝕它介質(zhì)作用而氧化或腐蝕磨光標(biāo)記：磨光標(biāo)記：由于機(jī)械零部件斷口常常是在運(yùn)行過(guò)程中形成的由于機(jī)械零部件斷口常常是在運(yùn)行過(guò)程中形成的 因此兩個(gè)匹配斷口?；ハ嗄ゲ?，出現(xiàn)磨光的宏因此兩個(gè)匹配斷口?；ハ嗄ゲ?，出現(xiàn)磨光的宏 觀特征。特別是在裂源附近，其磨光程度更為觀特征。特別是在裂源附近，其磨光程度更為 突突 出，有時(shí)呈現(xiàn)一種發(fā)亮的研磨面出，有時(shí)呈現(xiàn)一種發(fā)亮的研磨面21 鋸齒形斷口或棘輪花樣鋸齒形斷口或棘輪花樣 軸類零件在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的軸類零件在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的 有應(yīng)力集中（軸頸）有應(yīng)力集中（軸頸）+扭矩作

13、用扭矩作用 多源裂紋多源裂紋 裂紋以螺旋狀方式向前擴(kuò)展，最后匯合于軸的中央裂紋以螺旋狀方式向前擴(kuò)展，最后匯合于軸的中央 若為若為單向交變單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力棘輪花樣棘輪花樣 若為若為雙向交變雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力鋸齒狀斷口鋸齒狀斷口22鋸齒形斷口鋸齒形斷口棘輪花樣棘輪花樣233 3、瞬斷區(qū)、瞬斷區(qū)形貌：形貌：具有斷口三要素（放射區(qū)、剪切唇）的特征具有斷口三要素（放射區(qū)、剪切唇）的特征 對(duì)于塑性材料，斷口為纖維狀、暗灰色對(duì)于塑性材料，斷口為纖維狀、暗灰色 對(duì)于脆性材料，斷口為結(jié)晶狀對(duì)于脆性材料，斷口為結(jié)晶狀位置：位置：自由表面自由表面 斷面中心斷面中心 非對(duì)稱（次表面）非對(duì)稱（次表面） 2

14、4瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過(guò)載程度越大瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過(guò)載程度越大瞬斷區(qū)面積越小，越靠近瞬斷區(qū)面積越小，越靠近 邊緣，工件過(guò)載程度越小邊緣，工件過(guò)載程度越小25二、疲勞斷口顯微形貌特征二、疲勞斷口顯微形貌特征疲勞輝紋疲勞輝紋1、定義：、定義：在光學(xué)顯微鏡、在光學(xué)顯微鏡、SEM或或TEM下觀察疲勞斷口時(shí)，斷口上細(xì)下觀察疲勞斷口時(shí)，斷口上細(xì) 小的、相互平行的具有規(guī)則間距的，與裂紋擴(kuò)展方向垂直小的、相互平行的具有規(guī)則間距的，與裂紋擴(kuò)展方向垂直 的顯微特征條紋的顯微特征條紋疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線）的區(qū)別：疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線）的區(qū)別：貝紋線貝紋線是宏觀特征線，

15、因交變應(yīng)力幅度變化或載荷停歇等造成的是宏觀特征線，因交變應(yīng)力幅度變化或載荷停歇等造成的輝紋輝紋是顯微特征線，是一次交變應(yīng)力循環(huán)裂紋尖端塑性鈍化形成的是顯微特征線，是一次交變應(yīng)力循環(huán)裂紋尖端塑性鈍化形成的7178鋁合金26低碳低合金鋼低碳低合金鋼高溫鎳基合金高溫鎳基合金4340鋼鋼銅合金銅合金272、輝紋四要素（特點(diǎn)）、輝紋四要素（特點(diǎn)） 輝紋相互平行并且垂直于局部裂紋擴(kuò)展方向輝紋相互平行并且垂直于局部裂紋擴(kuò)展方向 輝紋間距隨循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅而變化輝紋間距隨循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅而變化 S = C(K)n 輝紋個(gè)數(shù)等于負(fù)載循環(huán)次數(shù)輝紋個(gè)數(shù)等于負(fù)載循環(huán)次數(shù) 通常斷面上一組輝紋是連續(xù)的，其長(zhǎng)度大致

16、平行；通常斷面上一組輝紋是連續(xù)的，其長(zhǎng)度大致平行； 相鄰斷面上的輝紋不連續(xù)相鄰斷面上的輝紋不連續(xù)3、輝紋形成機(jī)理、輝紋形成機(jī)理 裂紋擴(kuò)展的連續(xù)模型和不連續(xù)模型裂紋擴(kuò)展的連續(xù)模型和不連續(xù)模型284、輝紋類型、輝紋類型韌性輝紋：韌性輝紋：塑性變形量較大，清晰、連續(xù)，塑性變形量較大，清晰、連續(xù)，fcc脆性輝紋：脆性輝紋：塑性變形量較小，較清晰、不連續(xù)，常見弧形塑性變形量較小，較清晰、不連續(xù)，常見弧形 輝紋與河流花樣相交，并互相垂直，輝紋與河流花樣相交，并互相垂直，bcc、hcp韌性輝紋韌性輝紋脆性輝紋脆性輝紋29韌性輝紋韌性輝紋脆性輝紋脆性輝紋305 5、疲勞輝紋存在的條件、疲勞輝紋存在的條件 一般

17、說(shuō)來(lái)，疲勞輝紋僅存在于裂紋擴(kuò)展的第二階段（一般說(shuō)來(lái)，疲勞輝紋僅存在于裂紋擴(kuò)展的第二階段（Nf 103） 必要條件：必要條件：裂紋尖端必須處于張開型的平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋尖端必須處于張開型的平面應(yīng)變狀態(tài)， 即正斷時(shí)才出現(xiàn)即正斷時(shí)才出現(xiàn) 材質(zhì)：材質(zhì)：延性材料比較容易形成疲勞輝紋，脆性材料困難延性材料比較容易形成疲勞輝紋，脆性材料困難 環(huán)境：環(huán)境：真空中不出現(xiàn)輝紋真空中不出現(xiàn)輝紋31輪胎壓痕（輪胎壓痕（tire tracks）形貌：形貌：類似車胎的壓痕，是疲勞斷口上最類似車胎的壓痕，是疲勞斷口上最 小的特征花樣小的特征花樣32形成機(jī)理：形成機(jī)理：與第二相有關(guān)：與第二相有關(guān)：在疲勞裂紋形成以后，由相互匹

18、配的在疲勞裂紋形成以后，由相互匹配的 斷面上的突起或刀邊，如斷口上的第二相質(zhì)點(diǎn)，反復(fù)斷面上的突起或刀邊，如斷口上的第二相質(zhì)點(diǎn)，反復(fù) 擠壓或刻入而引起的壓痕擠壓或刻入而引起的壓痕與氫有關(guān)：與氫有關(guān)：氫濃集在顯微孔洞時(shí)，在斷面上留下凹坑氫濃集在顯微孔洞時(shí)，在斷面上留下凹坑 痕跡痕跡假象假象33其它特征：其它特征：疲勞斷片（疲勞斷片（fatigue patches）疲勞臺(tái)階疲勞臺(tái)階二次裂紋二次裂紋疲勞臺(tái)階疲勞臺(tái)階二次裂紋二次裂紋344 4 影響疲勞斷口形貌的因素影響疲勞斷口形貌的因素1、載荷類型與應(yīng)力大小、載荷類型與應(yīng)力大小不同彎曲載荷和應(yīng)力集中條件下棒材疲勞斷口形貌示意圖不同彎曲載荷和應(yīng)力集中條件

19、下棒材疲勞斷口形貌示意圖35星形斷口及形成過(guò)程示意圖星形斷口及形成過(guò)程示意圖362、材質(zhì)、材質(zhì)3、晶界、晶界 在晶界附近，裂紋尖端受阻礙，當(dāng)裂紋由一個(gè)晶粒在晶界附近，裂紋尖端受阻礙，當(dāng)裂紋由一個(gè)晶粒 擴(kuò)展到另一個(gè)晶粒時(shí)，其裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生變化。擴(kuò)展到另一個(gè)晶粒時(shí)，其裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生變化。4、夾雜物或第二相、夾雜物或第二相 阻止裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)遇到較大的第二相粒子時(shí)，輝紋彎阻止裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)遇到較大的第二相粒子時(shí)，輝紋彎 曲形成臺(tái)階曲形成臺(tái)階 可形成輪胎壓痕可形成輪胎壓痕5、環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境介質(zhì) 疲勞裂紋在一定的環(huán)境介質(zhì)下才產(chǎn)生輝紋，在真空中不疲勞裂紋在一定的環(huán)境介質(zhì)下才產(chǎn)生輝紋，在真空中不 產(chǎn)生輝紋。腐蝕疲勞就是在腐蝕環(huán)境中發(fā)生的疲勞斷裂產(chǎn)生輝紋。腐蝕疲勞就是在腐蝕環(huán)境中發(fā)生的疲勞斷裂375 5 腐蝕疲勞腐蝕疲勞1、定義、定義 : 材料在材料在循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力和和腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)的共同作用下的共同作用下