(3.6)--第5章-常见失效形式与判断（2）.pdf

第5章金属构件失效形式及判断

本章内容

5.1过量变形失效

5.2韧性断裂失效

5.3脆性断裂失效

5.4疲劳断裂失效

5.5磨损失效

5.6腐蚀失效

5.4疲劳断裂失效

金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材料的抗拉强度，有

时甚至低于屈服极限，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然的断裂，

这种断裂称为疲劳断裂。

一、疲劳断裂的一般特征

（1）疲劳断裂具有突发性，显示出宏观脆性的断裂特征。

（2）疲劳断裂应力很低。

循环应力中最大应力幅值一般远低于材料的强度极限甚至屈服极限。

（3）疲劳断裂是一个损伤积累的过程。

疲劳断裂不是立即发生的，而往往经过很长的时间才完成。

（4）疲劳断裂对材料缺陷极为敏感。

（5）疲劳断裂对腐蚀介质极为敏感。

大量实验数据表明，在腐蚀环境下材料的疲劳极限较在大气条件下低得多，

甚至没有所说的疲劳极限。

二、疲劳断裂的基本形式

按载荷不同可分为：拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳

等；

按疲劳断裂的总周次（Nf）可分为：高周疲劳（Nf＞104）和低周疲劳（Nf

＜104）；

按应力大小可分为：高应力疲劳、低应力疲劳

按零件服役的温度及介质条件可分为：机械疲劳（常温、空气中的疲劳）、

高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。

三、疲劳断裂过程

（1）疲劳裂纹的萌生

表面滑移带形成：纯金属、单相合金

第二相、夹杂物或其界面开裂：工程金属

晶界、亚晶界开裂：大振幅疲劳

冶金缺陷、工艺缺陷：工程构件

（2）疲劳裂纹的扩展

滑移、塑性形变和不稳定断裂交替作用的复杂过程

切向扩展

第一阶段，范围较小，2～5个晶粒之内

正向扩展

第二阶段，平面应力状态转变为平面应变状态

显微特征：存在大量疲劳辉纹

（3）瞬时断裂

随着疲劳裂纹的扩展，剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展，

当剩余面积小到不足以承受负荷时，即发生突然的瞬时断裂，其断裂过程同单调

加载的情形相似。

四、疲劳断口的宏观形貌

与静力破坏时的脆性断口相似，无明显塑性变形。

断口通常可见三个区域：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。

疲劳源区——疲劳裂纹的萌生区

位于零件强度最低或应力最高的地方。

零件表面的加工痕迹、凹槽、台肩等应力集中的地方。

零件内部有缺陷的地方。

可用肉眼或低倍放大镜判断疲劳源位置，疲劳区中磨得最亮的地方或者贝纹

线的曲率中心或者放射线的中心。

疲

疲劳源

疲劳源区——疲劳裂纹的萌生区

疲劳源的数目

一个：应力较低

多个：应力较高

或应力集中较严重

疲劳裂纹扩展区

贝壳状条纹（沙滩花样、疲劳弧带）

贝壳状条纹的形成表明疲劳裂纹不是连续运动直至断裂，而是间

歇式的生长的

每一个条纹都是疲劳裂纹在给定时间的推进位置

贝壳状条纹一般从疲劳源开始，向四周推进，呈弧形，凸向即为裂纹扩展方

向。

疲劳裂纹小于临界裂纹尺寸前，稳定扩展。

瞬时断裂区

当疲劳裂纹缓慢扩展到临界裂纹尺寸时，构件承载截面减小至强度不足引起

瞬时断裂。瞬时断裂区的断口形貌较多呈现宏观的脆性断裂特征，即粗糙“晶粒”

状或放射线状，其断口与主应力基本垂直。只有当材料的塑性很大时，最终断裂

区才具有纤维状的结构，并出现较大的45°剪切唇区。

根据疲劳断口的宏观特征，能够判断以下问题：

（1）判断疲劳起源点及裂纹扩展方向

起源：疲劳区中磨得最平整的地方，或疲劳条纹的放射中心。

多个裂纹源：疲劳条纹密度大，比较光泽明亮的为最初裂源。

扩展方向：沙滩花样从裂纹起源向最终断裂区放射的方向或贝壳状条纹凸起

方向。

（2）判断应力大小

最终断裂区位置

最终断裂区在构件中心：名义应力超过疲劳极限30-100%，Nf不超过3×105

周次（表面启裂，属正常情况，疲