如何预防金属零件的疲劳断裂？

疲劳断裂是指金属在交变应力持续作用下发生的断裂，其断口称为疲劳断口。疲劳断裂在工程失效中占的比例最大。

（1）疲劳断裂的基本类型

1）按疲劳断裂的不同产生原因分为机械疲劳断裂、热疲劳和腐蚀疲劳。

①机械疲劳断裂。由外加变载荷作用下产生的疲劳断裂，它未计及微弱的环境影响因素。按加载方式和类型不同又可分为拉压（轴向）疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳及微动磨损疲劳等。

图5-10 应力状态与断口韧窝状态的关系

a）正交韧窝 b）剪切韧窝 c）撕裂韧窝

②热疲劳。金属零件或构件因其温度变化引起的膨胀或收缩受到约束时，其材料内部因变形受阻而产生热应力。当温度反复变化时，引起的热应力也反复变化，其材料由此而造成的失效称热疲劳。所以热疲劳也可以说是由于温度循环变化而引起的失效。热应力的大小取决于零件的温度分布及结构形状尺寸。

热疲劳按变形约束的来源又可分为热机械疲劳（约束来自构件外界，如锅炉中一些管道发生的热疲劳）和热应力疲劳（约束由构件本身造成，如厚壁零件和异形截面构件等）。对于热应力循环次数较低的热疲劳称为热冲击，如脆性材料的热疲劳。零件发生热疲劳，在其表面上常呈现“龟裂”。

应区别热疲劳与高温疲劳，热疲劳需要两个条件，一是温度循环变化，二是机械约束；而高温疲劳只是由循环应变引起的，是高温作为零件或构件的一种工作环境。

③腐蚀疲劳。这是一种在循环应力与腐蚀介质共同作用下产生的失效。例如石油、化工、海洋机械的很多零件、构件是在腐蚀性液体或气体中工作的；各种露天的机械设备经受风吹雨淋及空气中各种污染介质、湿度变化等侵蚀。

腐蚀疲劳断裂应与应力腐蚀破（开）裂虽然都有腐蚀介质的环境条件才失效，但是腐蚀疲劳是由循环应力作用所致，而应力腐蚀是在非循环应力作用下产生的。

腐蚀疲劳的显著特征：由于受腐蚀介质的影响，疲劳曲线向低值方向移动。一方面腐蚀作用促使疲劳源容易形成，即腐蚀疲劳的孕育期较短；另一方面，腐蚀环境也使疲劳裂纹扩展速率增大。因此，腐蚀疲劳较常规疲劳的寿命短。

2）按疲劳断裂寿命分为高周疲劳和低周疲劳。

①高周疲劳（应力疲劳）。金属材料在低于屈服强度的循环应力作用下有较高寿命的疲劳现象，称为高周疲劳。

②低周疲劳（应变疲劳）。金属材料在循环的高应力（局部应力可超过屈服点）或大应变作用下，在断裂过程中产生较大的塑性变形，且断裂时的总循环次数很少（一般低于10⁵）的疲劳现象称为低周疲劳。

通常，不特别指明是低周疲劳的情况，疲劳断裂、疲劳断口等都是指高周疲劳断裂、高周疲劳断口等。

（2）疲劳断口的宏观形貌特征 在一般情况下，疲劳断裂，即使是韧性很好的材料，其宏观断口也无明显变形而在宏观上表现为脆性断口。

疲劳断口的典型形貌主要体现在其上有疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区（简称“疲劳断口三区”）的特点和相互关系上。

1）疲劳断口三区的宏观一般特征：

①疲劳贝壳纹。贝壳纹弧线是金属宏观疲劳断口的典型特征，是鉴别疲劳断口并从而确定疲劳源以及区分疲劳区和瞬断区的依据和线索。

贝纹线的形成有两种情况：一是在常温下，由于载荷幅度的突然变化或材料局部机械性质的变化导致裂纹扩展速率变化，从而使断口的纹痕或放射状条痕方向改变，于是在宏观断口上留下裂纹扩展的痕迹，故也称为疲劳裂纹“休止线”。二是在中温工况条件下，随着裂纹的扩展，断口氧化的时间逐渐缩短，断口颜色渐渐改变，便在断口上留下裂纹扩展前沿弧形痕迹。

贝纹线的形状总是由疲劳源出发的“圆弧”。在原始单源的情况，由于裂纹逐渐扩展，断裂面与表面相交的两端出现新的（一般更为严重的）应力集中源，使贝纹线圆弧的曲率逐渐变小，即圆弧逐渐变平、甚至反向（由凹面朝向原始源区变成凸向）。同理，在多源相邻的情况比单源的贝纹线曲率要小些。

总之，贝纹线的形状受疲劳源（零件形状、应力集中、材料缺陷等）的位向与严重程度而异，总的趋向都是由“源”出发的凹面朝向源区的弧线，多源时，诸弧线若相交，则在汇交处按合成法矢构成新的曲率弧向前推进。并且贝纹线与裂纹扩展方向垂直，同时常与裂纹扩展方向同向的由源向外放射的放射线相推并进，构成疲劳扩展区的典型特征。

疲劳贝纹弧线的间距与载荷谱变化相对应。

疲劳贝纹的清晰度与载荷变化剧烈程度和材质缺陷严重程度、甚至环境介质的影响有关。对于脆性材料，在载荷幅值无明显变化或载荷过大、温度过高等条件下，就可能没有明显的疲劳贝纹线。这时疲劳扩展区与瞬断区没有明显分界线，疲劳扩展区极少甚至没有。在确定这种断口的性质时，应根据零件受力状态来分析。

②疲劳源的判定。疲劳源区一般用目测或低倍放大镜即可判定其位置。在疲劳源周围，存在着以疲劳源为焦点的非常光滑、细洁、贝纹线不明显，但为贝纹线族的焦点区和为放射台阶（线）中心的小区——疲劳源区。疲劳源区可在零件的表面（如结构形状骤变、加工刀痕、表面损伤等）或表层和内部（材质缺陷，特别是表面硬化处理缺陷等）。加载类型和载荷水平对疲劳源的位置也有影响：弯曲疲劳、扭转疲劳加载时，零件表面应力最大，易成为裂纹源，轴向加载情况下，当平均应力较大时，可能在内部缺陷处形成疲劳源；载荷水平高（加载大）时，疲劳源可出现多处。尤其低周疲劳，其应变幅值较大，断口上常有若干个位于不同位置的疲劳源。这时，疲劳多源往往是一条呈锯齿状的微裂纹，当然也可能是多源构成一疲劳源小区。

③瞬断区。瞬断区是当疲劳危险截面的剩余有效截面不再能承受外载荷时形成的。所以，它具有过载断口的基本特征，也可以说，疲劳断口上的瞬断区是疲劳断口上的过载断口区。基本特征都是由此而来。

2）加载类型对疲劳断口三区的影响。不同加载类型（拉-拉或拉-压、单向弯曲、反复弯曲、旋转弯曲、扭转）、不同应力水平（高名义应力、低名义应力）以及不同程度应力集中条件下的疲劳断口三区特征如图5-11所示。

图5-11 疲劳断口三区的宏观特征示意图

下面说明几种典型断口。

①旋转弯曲疲劳断口。如果危险截面处材质无内部缺陷，则其断口有如下特点：

a.贝纹线间距外宽内窄，因为应力分布必然是外层大，表层最大，故疲劳源在其两侧裂纹发展速度较中部快，因此其贝纹线间距近表面处宽、中心较窄密，如图5-12所示。

b.逆偏转现象是指旋转疲劳断口的瞬断区虽然位于疲劳源的对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一角度θ，如图5-12所示。此现象可提供疲劳源、瞬断区和旋转方向之间已知两项，推断第三项。

图5-12 旋转弯曲疲劳断口

图5-13 皿型断口

c.高应力集中（外层）、高名义应力时瞬断区向中心移。

d.变截面（如大轴肩）应力集中时，断口呈皿型。这是因为弯曲疲劳裂纹扩展方向总是与拉伸正应力相垂直。如图5-13所示，其断口常不呈平面，而是皿状曲面，称为皿型断口。

②扭转疲劳断口。扭转疲劳条件下，裂纹形核后可能沿两个方向扩展：沿与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展，称正断型（常发生于脆性材料）；沿最大切应力方向扩展，称剪断型或切断型（常发生于延性材料）。当然也有复合型，例如开始为切断型，然后在发展过程中又转变成正断型。以上各种断口形态如图5-14所示。正断型扭转疲劳的常见断口为锯齿状断口（图5-15）及星形断口（图5-16）。

图5-14 扭转疲劳断口的各种形态

图5-15 锯齿状断口的形成过程

a）初始微裂纹 b）裂纹沿与轴线呈45°的双向扩展 c）锯齿状断口

图5-16 星形断口（花键轴断口）(www.xing528.com)

③弯-扭疲劳断口。在弯曲疲劳条件下呈现的典型断口（锯齿状断口），由于扭矩的作用，裂纹将在大于原锯齿状断口（图5-15）的45°方向扩展而形成棘轮断口（图5-17）。

综上可见，疲劳断口的宏观分析是很重要的：

a.从源区本身的光洁小区特征、贝纹线族的焦点和放射台阶的发射点等方向，确定疲劳裂纹起始源区。

b.从宏观疲劳区和瞬断区的面积与部位等因素，确定外载荷水平与断定是高周疲劳还是低周疲劳。

图5-17 棘轮断口及其形成过程

a）裂纹起点 b）裂纹扩展方向 c）断口形状

c.从贝纹弧线的形状分布及间距，确定材料的缺口敏感性、应力集中状况、疲劳源状况以及断口所受载荷谱的基本情形等。

d.从典型断口形貌（星形、锯齿状、棘轮状等），判定相应的加载与应力集中类型（花键轴受扭、大轴肩受扭、大轴肩受弯-扭等）。

（3）疲劳断口的微观形貌特征 疲劳断口微观分析一般是在宏观分析的基础上来进行，其作用：进一步确定断裂源的性质、查明断裂的原因（例如夹杂形核），由疲劳辉纹与宏观贝纹的关系与断裂历程可为裂纹扩展速率、疲劳寿命及载荷谱分析提供重要信息；为断裂方式与机理的理论研究提供有力证据。

1）疲劳源的典型微观特征。首先分析成核。金属零件表面（表层）或内部有严重缺陷处都可能产生疲劳源。通常，在零件的危险截面处，工作应力接近材料的极限应力并经多次循环后，在部分晶粒的薄弱部（“软带”）出现由细逐渐变宽的滑移带（驻留滑移带）。其“驻留”特征表现为即使其经机械磨去一层，也仍不消失。由于载荷及应力是交变的，所以这种滑移带是不均匀的。这种不均匀性常集中体现在零件表面（或表层）材料的晶界以及含夹杂、第二相粒子等处。在工作应力高于材料的疲劳极限下，这些宽度与间距均相应加大的驻留滑移软带处，即比基体金属薄弱区，在交变应力的作用下，产生不均匀滑移。这样，便在表面形成“挤出脊”及“挤入沟”，如图5-18上部所示。第一阶段裂纹萌生从挤入沟开始，并沿驻留滑移带和晶界扩展。

图5-18 疲劳裂纹源及其扩展的两个阶段

a）照片图 b）示意图

有的零件表层相界面由于位错塞积而引发裂纹：表层材料中含第二相粒子以及非金属夹杂等时，因位错塞积而造成相界面与基体分离构成裂纹。有时，第二相粒子大且脆，以致其不能适应基体形变而解理，形成裂纹。

此外，零件表面的机械损伤：加工刀痕、干涉磨损等表面损伤、严重的应力集中以及表面腐蚀坑等，均可形成疲劳源裂纹。

2）疲劳扩展区的微观结构

①疲劳裂纹扩展的两个阶段。其断口微观特征，随材质、应力幅、环境条件等而有所不同。通常，疲劳裂纹扩展，按其发展过程可分为两个阶段，如图5-18所示。

②第一阶段裂纹沿最大切应力τ_max方向滑移而伸进。该滑移面取向大致与正应力呈45°。在这一阶段，裂纹伸进的深度很浅，一般不超过断裂源范围的几个晶粒（2～5个），10^-1mm数量级（Ni基高温合金材料的零件例外）。对高应力幅的情况（如低周疲劳），这一阶段扩展占疲劳总寿命的比例较低；但对应力幅较低的一般高周疲劳情况，其占疲劳总寿命可高达90%左右。在有应力集中较严重的情况下，则往往不出现第一阶段而直接由疲劳源进入第二阶段。

这一阶段断口的微观形貌相应于宏观形貌可有类解理特征（相应于宏观的平面状断口）和片层状、擦伤痕迹（相应于宏观的搓板状断口）。

类解理特征是指在电子金相照片中具有解理断裂的河流、舌状和台阶等花样，是裂纹严格地沿晶粒内某一滑移面扩展的结果（相应于宏观上平坦光滑的平断口）。铝及镍基铸造高温合金的第一阶段疲劳断口有此特征。应区别类解理断口特征与体心立方材料的解理断口特征：类解理的晶面指数为[111]而体心立方的为[100]；类解理的与应力轴交角约45°而体心立方的为90°；特别是类解理的断口在离裂纹源较远处有时呈现疲劳辉纹，高应力区有韧窝结构，而体心立方的则无。

搓板状断口特征：对于高强铝合金的这类断口，微观上可见片层状结构，有时还可见擦伤痕迹和疲劳辉纹。

低周疲劳为高应变疲劳，故其裂纹扩展第一阶段在断口上留有处于不同高度上许多互相平行的小平面，所以断口较粗糙；其微观特征是较均匀分布、且大小大致相同的韧窝。

③第二阶段疲劳裂纹扩展的主要微观特征是疲劳辉纹，如图5-19所示。

图5-19 疲劳辉纹（疲劳条带）形貌

a）示意图 b）某铝合金疲劳断口显微照片 c）硬齿面齿轮轮齿心部疲劳断口

疲劳辉纹的特点如下：

a.辉纹与裂纹扩展方向垂直，是一系列基本上相互平行（不相交）的条纹，稍带弯曲（凹向疲劳源），呈波浪形。

b.每一条辉纹代表一次（如铝合金）或若干次（如高强钢）载荷循环，每条辉纹表示该载荷循环下裂纹的前沿位置，可见宏观两条疲劳贝纹之间可包含许多条微观辉纹。

c.辉纹间距随裂纹尖端应力强度因子幅值ΔK增大及裂纹扩展长度的增长而加宽，辉纹区出现杂质时，杂质周围的辉纹密度加大。

d.断口上常为放射线分割成大小、高低不同的小条块，每一条块上辉纹连续而平行，但相邻小块间的不连续、不平行。

e.断口副的辉纹基本对应。

一般情况下，面心立方金属（如铝及铝合金、不锈钢等）断口上疲劳辉纹比较清晰、明显（图5-19b）；而体心立方金属及密排六方结构金属（如钢的疲劳辉纹）轮廓不明显，辉纹短而不连续（图5-19c）。

疲劳辉纹存在的条件如下：

a.疲劳辉纹前沿必须处于张开型的平面应变状态，即疲劳断口扩展前沿必须处于与交变拉伸应力相垂直的位置。

b.裂纹前端的材料有足够的塑变条件，例如，塑性材料较易形成辉纹而脆性材料较难；合金钢的断裂韧性越高，也越容易形成辉纹；材料晶体结构堆垛层错能低的不易交叉滑移，故易于生成辉纹，如铜、铜合金等。

c.适当的环境介质条件下（如在真空中）一般不能形成辉纹。还应说明的是，断口上存在辉纹，但看不到的情形也是有的：辉纹被随后的其他损伤（如断裂、腐蚀）所破坏或掩盖了；也可能是辉纹间距小于200Å，一般扫描电镜的分辨能力不够（这时可用透射电镜）。

还应注意的是，虽然有的断口特征类似辉纹，但分析其载荷应力状态及其他情况，却不可能是辉纹，而是一种假象，需予以区别。例如，有的近于平行但不平行而有交叉的解理纹（多源河流花样）、大韧窝上的应变痕迹或者形变台阶，如蛇形滑移（图5-20）等。又例如某些具有规则间距但条纹也会交叉的层状组织（如灰铸铁疲劳断口上的层状珠光体），特别是复型过程中，由于清洗未净而导致失真的假辉纹，应予以分清。

④低周疲劳。其在疲劳裂纹扩展的第二阶段的微观特征常见为轮胎状花样，其典型形貌如图5-21所示。低周疲劳断口，随应力幅（应变幅）的不同，其断口形貌差别也很大。如15MnVN钢，当疲劳寿命N≤90次时，断口为韧窝状延性断口，没有辉纹；当N≥300次时，出现轮胎状花样（轮胎压痕）；N≥700次才出现脊骨状花样，并逐渐出现辉纹。在压缩载荷较大的低周疲劳中还常见擦伤痕迹。

图5-20 蛇形滑移花样

图5-21 轮胎状花样

3）瞬断区的微观形貌特征。瞬断区的微观形貌相应于宏观断口有：

①解理结构。相应于宏观为结晶状断口。

②韧窝结构。相应于宏观为放射区及剪切唇区或有时只出现剪切唇而无放射区。