疲劳断裂特征及类别分析

1. 疲劳断裂的特点

尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。

（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂。

疲劳断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，有时低于材料的屈服强度，甚至低于弹性极限。疲劳断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。

（2）疲劳是脆性断裂。

由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生明显塑性变形及变形预兆，破坏突然发生，所以有很大的危险性。

尽管疲劳是脆性断裂，但疲劳断裂形式与脆性断裂形式有明显差别。疲劳与脆性断裂相比较，虽然二者断裂时的形变都很小，但疲劳需要多次加载，而脆性断裂一般不需多次加载，结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。

缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。尤其是疲劳对表面缺陷十分敏感，裂纹往往从局部的破坏处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。

（4）疲劳对加工过程、环境、表面状态等敏感。

疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感。加工过程也对疲劳抗力有很大影响。

（5）疲劳断裂具有裂纹萌生、扩展和最终断裂3 个不同区域。(www.xing528.com)

疲劳断裂过程清楚显示裂纹的发生、扩展和最后断裂3 个组成部分，即疲劳源+疲劳裂纹扩展区+最终断裂区[2]。

2. 疲劳断裂的分类

根据零件在服役过程中所受载荷类型与大小、加载频率的高低及环境介质与温度等，可将疲劳断裂分为如下类别。

（1）按所受载荷及应力状态。

按所受载荷及应力状态可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉拉疲劳、拉压疲劳、复合疲劳。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。

（2）按环境及接触情况。

按环境及接触情况可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等。

（3）按断裂寿命和应力高低。

按断裂寿命和应力高低可分为高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法。最近的疲劳研究表明[3-9]，高强度钢、表面处理钢、低合金结构钢甚至铝合金、镁合金等金属材料在承受交变载荷超过107周次后，仍然会发生疲劳破坏。因此，为了满足工程安全及可靠性设计的要求，对材料在107周次以后的疲劳行为进行研究具有重要意义，而此时的疲劳称为超高周疲劳或超长寿命疲劳。

高周疲劳的断裂寿命较长，疲劳寿命大于105周次，断裂应力水平较低，疲劳应力一般小于材料的屈服强度 σs，也称低应力疲劳，一般常见的疲劳都属于此类。

低周疲劳的断裂寿命较短，疲劳寿命一般在102～105周次，断裂应力水平较高，疲劳应力一般大于或等于材料的屈服强度σs，往往有塑性应变出现，也称高应力疲劳或应变疲劳。

超高周疲劳是指疲劳破坏循环数大于107周次的疲劳，又称为超长寿命疲劳或千兆周疲劳（109周次）。近年来，随着航空航天、汽车、高速列车和轮船等行业的快速发展，一些重要工程构件在其服役期间经常面临着高频低幅载荷，可承受高达108～109次重复载荷（应力循环）。日本新干线高速列车在10 年服役期内大约要经历109次应力循环，即10 亿次以上的疲劳。传统疲劳研究认为，钢铁材料一般在106～107循环周次附近存在疲劳极限，加载应力幅低于该疲劳极限，材料将不发生疲劳破坏，即材料有无限寿命，因此材料107周次的S-N 曲线即可满足构件的疲劳设计安全要求。目前的长寿命疲劳设计大多是基于107次应力循环的试验数据进行的。然而，最近的研究结果表明，金属材料在超过 107次的超长寿命区出现疲劳极限消失的现象[10-15]，材料在107以上超长寿命区高周循环周次内仍然会发生疲劳断裂，这意味着长寿命疲劳设计方法不能满足机械和结构在超长寿命区的安全设计要求。很多合金在超高周疲劳寿命区不存在传统的疲劳极限，S-N 曲线具有阶梯下降特征。与传统疲劳不同，材料的超高周疲劳行为发生在加载应力幅远低于传统的疲劳极限，其疲劳断裂机理与传统疲劳破坏的机理也有所不同。