疲劳断裂失效分析

2疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零件、构件和设备的寿命估算，已成为疲劳强度的一个重要组成部分。疲劳已从一个古老的概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的一门新兴学科——疲劳强度（学）。25.1.1疲劳断裂失效的基本形式5.1疲劳断裂的基本形式和特征按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为高周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜104）；按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等；25.1.1疲劳断裂失效的基本形式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。5.1疲劳断裂的基本形式和特征但：其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。21、切断疲劳失效切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。5.1疲劳断裂的基本形式和特征切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成45º角，并沿其滑移面扩展。2由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数）分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。5.1疲劳断裂的基本形式和特征22、正断疲劳失效正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正应力／缺口正断强度≥1，切应力／缺口切断强度＜1。5.1疲劳断裂的基本形式和特征正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。2大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生。高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。5.1疲劳断裂的基本形式和特征25.1.2疲劳断裂失效的一般特征5.1疲劳断裂的基本形式和特征金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。引起疲劳断裂的应力一般很低，断口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。21、疲劳断裂的突发性疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个过程，但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。5.1疲劳断裂的基本形式和特征22、疲劳断裂应力很低循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳来说，经107次应力循环破断的应力仅为静弯曲应为的20～40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。5.1疲劳断裂的基本形式和特征4.0(1b)6.0～)(285.01bs或对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计算公式为：23、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的。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。5.1疲劳断裂的基本形式和特征在工程上通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次（N0）或将N0与试件的总寿命Nf的比值（N0/Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况、材料性质、温度与介质等因素有关。23.1疲劳断裂的基本形式和特征各因素对N0/Nf值影响的趋势23.1疲劳断裂的基本形式和特征4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。25、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显著。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，甚至就没有所说的疲劳极限。3.1疲劳断裂的基本形式和特征25.2.1疲劳断口的宏观形貌及其特征由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。5.2疲劳断口形貌及其特征2（2）双向弯曲疲劳断裂某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用一。零件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面的内部。两个疲劳核心并非同时产生，扩展速度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称。材料的性质、负荷的大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂基本相同。5.2疲劳断口形貌及其特征2（3）旋转弯曲疲劳断裂许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面，但无固定地点，疲劳源的数量可以是一个也可以是多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。由此可以根据疲劳源区与最后断裂区的相对位置推知轴的旋转方向。当轴的表面存在较大的应力集中时，可以出现多个疲劳源区。此时最后断裂区将移至轴件的内部。5.2疲劳断口形貌及其特征22、拉压疲劳断裂通常情况下，拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部，这一点与静载拉伸断裂时不同。但当构件内部存在有明显的缺陷时，疲劳初裂纹将起源于缺陷处。此时，在断口上将出现两个明显的不同区域，一是光亮的圆形疲劳区（疲劳核心在此中心附近），周围是瞬时断裂区。在疲劳区内一般看不到疲劳弧线，而在瞬时断裂区具有明显的放射花样。5.2疲劳断口形貌及其特征应力集中和材料缺陷将影响疲劳核心的数量及其所在位置，瞬时断裂区的相对大小与负荷大小及材料性质有关。23扭转疲劳断裂各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转疲劳断裂的断口形貌，主要有三种类型。5.2疲劳断口形貌及其特征（1）正向断裂断裂表面与轴向成45角，即沿最大正应力作用的平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状；双向扭转时，其断裂面呈星状，应力集中较大的呈锯齿状。23扭转疲劳断裂（2）切向断裂断面与轴向垂直，即沿着最大切应力所在平面断裂，横断面齐平。5.2疲劳断口形貌及其特征（3）混合断裂横断面呈阶梯状，即沿着最大切应力所在平面起裂并在正应力作用下扩展引起的断裂。正向断裂的宏观形貌一般为纤维状，不易出现疲劳弧线。切向断裂较易出现疲劳弧线。24、振动疲劳断裂许多机械设备及其零部件在工作时往往出现在其平衡位置附近作来回往复的运动现象，即机械振动。机械振动在许多情况下都是有害的。它除了产生噪音和有损于建筑物的动负荷外，还会显著降低设备的性能及工作寿命。由往复的机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时，系统将出现激烈的共振现象。共振疲劳断裂是机械设备振动疲劳断裂的主要形式，除此之外，尚有颤振疲劳及喘振疲劳。振动疲劳断裂的断口形貌与高频率低应力疲劳断裂相似，具有高周疲劳断裂的所有基本特征。振动疲劳断裂的疲劳核心一般源于最大应力处，但引起断裂的原因，主要是结构设计不合理。因而应通过改变构件的形状、尺寸等调整设备的自振频率等措施予以避免。5、接触疲劳5.2疲劳断口形貌及其特征25.2.3疲劳断口的微观形貌特征1、疲劳断裂的微观形貌特征疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样。5.2疲劳断口形貌及其特征25.2疲劳断口形貌及其特征（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的推进量；疲劳辉纹的形貌随金属材料的组织结构、晶粒位向及载荷性质的不同而发生多种变化，通常具有以下特征：（2）疲劳辉纹的形状多为向前凸出的弧形条痕。随着裂纹扩展速度的增加，线的曲率加大。裂纹扩展过程中，如果遇到大块第二相质点的阻碍，也可能出现反弧形或S形弧线疲劳辉纹；23.2疲劳断口形貌及其特征（3）疲劳辉纹的排列方向取决于各段疲劳裂纹的扩展方向。不同晶粒或同一晶粒双晶界的两侧，或同一晶粒不同区域的扩展方向不同，产生的疲劳辉纹的方向也不一样；（4）面心立方结构材料比体心立方结构材料易于形成疲劳辉纹，平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳辉纹，一般应力太小时观察不到疲劳辉纹；23.2疲劳断口形貌及其特征（5）并非在所有的疲劳断口上都能观察到疲劳辉纹，疲劳辉纹的产生与否取决于材料性质、载荷条件及环境因素等多方面的影响；（6）疲劳辉纹在常温下往往是穿晶的，而在高温下也可以出现沿晶的辉纹；（7）疲劳辉纹有延性和脆性两种类型。2延性疲劳辉纹是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是连续的，并向一个方向弯曲成波浪形。5.2疲劳断口形貌及其特征通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电镜下可以观察到微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性的。2脆性疲劳辉纹是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理辉纹。在电镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹，又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样及解理台阶。5.2疲劳断口形貌及其特征脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂，或缓慢加载的疲劳断裂中，其疲劳辉纹通常是脆性的。25.2疲劳断口形貌及其特征在一些包括面心立方结构的奥氏体不锈钢、体心立方结构的合金结构钢、马氏体不锈钢等材料的疲劳断口上，尚可看到类似解理断裂状河流花样的疲劳沟线及由硬质点滚压形成的轮胎花样。在其他材料中，疲劳条痕并不像在高强铝合金那样清晰而具有规则性。例如，在钢中，疲劳条痕的连续情况是不规则的，有时表现出短而不连续的特征。在另外一些观察中，却看不到疲劳条痕，只看到一些不规则的表面特征和一些独立的韧窝。25.2疲劳断口形貌及其特征注意：对于工业上常用的合金结构钢，特别是高强度钢零件，许多情况下断口上的大部分面积呈现出静载断裂特征，有时甚至难以找到疲劳辉纹，这给疲劳失效分析带来一定的困难。25.2疲劳断口形貌及其特征（1）试样厚度试样厚度越厚，越易出现静载断裂花样，它能增高裂纹扩展速率；（2）材料性质塑性材料比脆性材料更易出现疲劳辉纹。当材料KIC60MPam1/2时，断口上的疲劳条带减少，而各种类型的静载断裂花样增多；（3）晶体的结构类型面心立方晶体较体心立方晶体更易出现疲劳条带；（4）加载水平静载断裂花样的出现主要取决于Kmax，而对K不敏感。Kmax越高，越易出现静载断裂花样。断口上出现静载断裂花样与下列因素有关：25.3.1机械疲劳断裂为了进一步分析载荷性质及环境条件等因素的影响，有必要利用断口的微观特征对零件疲劳断裂的