金属构件疲劳断裂失效分析与疲劳强度的发展

疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一。疲劳学科正是以金属构件疲劳断裂失效分析为基础而形成和发展的。自Wöhler的经典疲劳著作发表以来，人们已充分研究了不同材料在各种载荷和环境条件下进行试验时的疲劳性能。虽然大多数工程师和设计师已注意到疲劳问题并积累了大量的实验数据，但仍有许多设备和机器遭受疲劳断裂的困扰。

疲劳设计如今已由无限寿命设计发展到有限寿命设计，零部件、部件、设备的寿命估算已成为疲劳强度的重要组成部分，疲劳已从一个古老的概念发展成为一门集材料科学、力学与工程设计于一体的新兴学科——疲劳强度。

疲劳断裂的基本形式和特征

疲劳断裂失效的基本形式

机械零件疲劳断裂失效形式有多种：

但其基本形式只有两种，即由剪应力引起的剪疲劳和由正应力引起的正剪疲劳，其他形式的疲劳断裂则是这两种基本形式在不同条件下的结合。

（1）剪切疲劳破坏

剪疲劳的初始裂纹是由于剪应力引起的，由剪应力引起疲劳初始裂纹萌生的力学条件为：剪应力/缺口剪切强度≥1；法向应力/缺口法向剪切强度<1。

剪疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初始裂纹所在平面与应力轴约成45°角，并沿其滑移面扩展。

由于具有面心立方结构的单相金属材料的剪切强度一般略低于法向剪切强度，而在单向压缩、拉伸和扭转条件下，最大剪应力与最大法向应力之比（即软度系数）分别为2.0、0.5和0.8，因此对于此类材料，其制件表层较容易满足上述力学条件，因而多以剪切形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初始裂纹大多是这样形成和扩展的。低强度高塑性材料制成的中小型薄壁零件，较大的应力幅、较高的加载频率以及较高的温度条件均会有利于这种破坏形式的发生。

（2）正常断裂疲劳失效

正常断裂疲劳的初始裂纹是由正常应力引起的，初始裂纹产生的力学条件为：正常应力/缺口正常断裂强度≥1，剪应力/缺口剪切强度<1。

正常断裂疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；初始裂纹所在平面大致垂直于应力轴，裂纹沿非晶体学平面延伸或不严格沿晶体学平面延伸。

工程金属构件的疲劳失效大多以这种形式出现，特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏所占比例较大；上述力学条件容易在试件内部裂纹处满足，但当表面加工比较粗糙或有较深的缺口、刀痕、凹坑、微裂纹等应力集中现象时，表面也容易产生正常的疲劳裂纹。高强度、低塑性的材料、大截面的零件、较小的应力幅、较低的加载频率以及腐蚀和低温条件都有利于正常疲劳裂纹的萌生和扩展。

疲劳断裂失效的一般特征

金属零件在使用过程中的疲劳断裂具有突发性、高度局部化、对各种缺陷敏感性等特点。引起疲劳断裂的应力一般很低，断口上常可观察到反映断裂各阶段宏观和微观过程的特殊形貌。

（1）疲劳断裂的突然性

疲劳断裂虽然要经历疲劳裂纹萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个基本过程，但断裂前没有明显的塑性变形等明显征兆，因此断裂具有很强的突然性。即使是在静态拉伸条件下具有较大塑性变形量的塑性材料，在交变应力作用下也会表现出宏观脆性断裂特征，因此断裂具有突然性。

（2）疲劳断裂应力很低

循环应力的最大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，经过10⁷个应力循环后断裂的应力仅为静态弯曲应力的20-40％；对于对称拉伸和压缩疲劳，疲劳失效的应力水平甚至更低。对于钢构件，工程设计中采用的近似计算公式为：

或者

（3）疲劳断裂是损伤积累的过程

疲劳断裂不会立即发生，而往往需要较长的时间才能完成。疲劳裂纹的产生和扩展是多次应力循环损伤积累的结果。

工程上通常用试件上产生可见初始裂纹的应力循环次数（N0）或N0与试件总寿命Nf之比（N0/Nf）作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参数。疲劳裂纹萌生孕育期与应力幅的大小、试件形状及应力集中程度、材料性质、温度及介质等因素有关。

（4）疲劳断裂对材料缺陷的敏感性

金属的疲劳失效对材料的各种缺陷十分敏感。因为疲劳断裂总是起源于微裂纹。这些微裂纹有些是材料本身的冶金缺陷，有些是在加工制造过程中留下的，有些是在使用过程中产生的。

部分材料的N0/Nf值

各因素对N0/Nf值影响趋势

（5）疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性

金属材料的疲劳断裂不仅取决于材料本身的性能，还与零件工作的环境条件有关。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，但其影响远不如对材料疲劳强度的影响显著。大量的实验数据表明，腐蚀环境中材料的疲劳极限比大气条件下的要低得多，甚至没有疲劳极限。

疲劳断口形貌及特征

疲劳断口宏观形貌及特征

由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，形成了疲劳断裂独特的断口形貌，这是疲劳断裂分析的根本依据。

典型疲劳断口的宏观形貌可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹选择性发展区、裂纹快速扩展区和瞬时断裂区五个区域。一般的疲劳断口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。更粗略地可分为疲劳区和瞬时断裂区两部分。在大多数工程构件的疲劳断口上一般都能观察到这三个区域，因此这种划分比较符合实际。

疲劳断口的微观形貌特征

（1）疲劳断口的微观形貌特征

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纹状花纹，通常称为疲劳条纹、疲劳带、疲劳纹路等。疲劳纹路是具有一定间距、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且相互平行的条纹状花纹。

（1）疲劳断裂性能的测定

为了进一步分析载荷性质、环境条件等因素的影响，需要利用断口的微观特征进一步识别零件疲劳断裂的具体类型。

高周疲劳断裂性能的测定

高周疲劳断口的基本微观特征是细小的疲劳条纹，此外有时还可见到疲劳沟槽、轮胎纹，据此可判断断口性质为高周疲劳断口，但需注意载荷性质、材料组织及环境条件的影响。

低周疲劳断裂性能的测定

低周疲劳断口的基本微观特征是粗疲劳条纹或粗疲劳条纹加微孔状花纹，同样，低周疲劳断口的微观特征随材料性质、组织结构和环境条件的不同而有很大的变化。

对于超高强度钢，在低频率、大振幅的加载条件下，低周疲劳断口表面可能不会出现疲劳条纹，而是以沿晶断口和微孔状断口形态出现。

热稳定不锈钢的低周疲劳断口表面除典型的疲劳条纹外，往往还存在大量粗大的滑移带和密集分布的细小二次裂纹。

高温条件下的低周疲劳断裂易发生塑性变形，因此疲劳条纹一般较深、条纹轮廓较清晰，并且在条纹间隔处常常出现二次裂纹。

振动疲劳断裂性能的测定

金属微振动疲劳断口的基本特征是细小的疲劳条纹，金属共振疲劳断口的特征与低周疲劳断口相似，但在疲劳裂纹的起始处通常可以看到磨痕、压溃、微裂纹、掉片及有色粉末（钢铁材料为棕色，铝、镁材料为黑色）。

腐蚀疲劳断裂性能的测定

腐蚀疲劳断口上的疲劳条纹比较模糊，且存在较多具有泥纹状的二次裂纹。

碳钢、铜合金的腐蚀疲劳断口多为沿晶分离断口；奥氏体不锈钢、镁合金的腐蚀疲劳断口多为穿晶断裂；Ni-Cr-Mo钢在空气中多为穿晶断裂，在氢气、H2S气氛中多为沿晶或混晶断裂；当加载频率较低时，腐蚀疲劳易发生沿晶分离断口。

金属热疲劳断裂性质的测定

金属热疲劳断口的微观特征多为粗疲劳条纹，或粗疲劳条纹加微孔纹，其上常有一层氧化物。

接触疲劳断裂性能的测定

接触疲劳断口与磨损疲劳断口的特征基本相同，由于摩擦作用，其疲劳条纹不连续、不清晰。

金属零件疲劳断裂失效

疲劳断裂形式

（1）弯曲疲劳断裂

金属零件在交变弯曲应力作用下产生的疲劳损伤称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳和旋转弯曲疲劳三类。其共同点是初始裂纹一般起源于表面，然后沿垂直于最大正应力的方向向内扩展，当剩余截面不能承受施加的载荷时，构件突然断裂。

单向弯曲疲劳断裂

起重机悬臂等零件在工作过程中承受着单向弯曲载荷，承受脉动单向弯曲应力的零件的疲劳核心一般出现在拉伸侧表面，疲劳核心一般只有一个，断口处可见同心壳状花纹，呈凸起状，最终断裂区与疲劳源区相对，周边有剪切唇。

当构件亚表面存在较大缺陷时，亚表面也可能产生疲劳核心，在受到较大应力集中影响时，疲劳孤立线可能出现反转（凹陷）并出现多个疲劳源区。

双轴弯曲疲劳断裂

有些齿轮的齿根承受双向弯曲应力，双向弯曲应力作用下的零件疲劳断裂可能在零件两侧都有疲劳源区，而最终断裂区在截面内部。两个疲劳核心并不是同时产生的，扩展速度也不同，所以断口上的疲劳断口区域一般不是完全对称的。材料性质、载荷的大小、组织特征及环境因素等均对断口的形貌产生影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂基本相同。

旋转弯曲疲劳断裂

许多轴类零件的断裂大多是由旋转弯曲疲劳断裂引起的。在旋转弯曲疲劳断裂中，疲劳源区一般出现在表面，但没有固定的位置，疲劳源的数量可以是一个或多个。疲劳源区与最终断裂区的相对位置一般总是相对于轴的旋转方向反演一个角度。因此，可以根据疲劳源区与最终断裂区的相对位置推断轴的旋转方向。

当轴表面存在较大的应力集中时，可能会出现多个疲劳源区，此时最终的断裂区域会移动到轴的内部。

（2）拉伸和压缩疲劳断裂

拉压疲劳断裂最典型的例子是各种蒸汽锤的活塞杆在使用过程中的疲劳断裂。一般情况下，拉压疲劳断裂的疲劳核心多起源于表面而非内部，这与静载拉伸断裂不同。但当构件内部存在明显缺陷时，初始疲劳裂纹便会起源于缺陷处。此时断口表面会出现两个明显不同的区域，一个是明亮的圆形疲劳区（疲劳核心就在此中心附近）；另一个是瞬时断裂区。一般在疲劳区内看不到疲劳弧，但在瞬时断裂区内有明显的放射状花纹。

应力集中和材料缺陷都会影响疲劳核心的数量和位置，而瞬时断裂区的相对大小与载荷大小、材料性质有关。

（3）扭转疲劳断裂

各类传动轴的断裂主要为扭转疲劳断裂，扭转疲劳断裂的断口形貌主要有三种：

正骨折

断裂面与轴向成45°角，即断裂沿最大正应力平面发生。单向脉动扭转时，断裂面呈螺旋状；双向扭转时，断裂面呈星形；应力集中较大时，断裂面呈锯齿状。

切向断裂

横截面垂直于轴向，即断裂沿最大剪应力所在平面，横截面平齐。

混合骨折

断面呈台阶状，即断裂是由裂纹沿最大剪应力平面起始，在法向应力作用下扩展而引起的。法向断裂宏观形貌一般呈纤维状，不易出现疲劳弧；切向断裂则更容易出现疲劳弧。

（4）振动疲劳断裂

许多机械设备及其零件在工作时，经常在其平衡位置附近作往复运动，这种运动称为机械振动。机械振动在许多情况下是有害的，除了产生噪声、破坏建筑物的动荷载外，还会显著降低设备的性能和使用寿命。往复机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。

当外加激振力的频率与系统的固有频率接近时，系统将发生剧烈的共振，机械设备振动疲劳断裂的主要形式为共振疲劳断裂，此外还有颤振疲劳、突涌疲劳等。

振动疲劳断裂的断口形貌与高频低应力疲劳断裂相似，具备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来源于最大应力处，但断裂的主要原因是结构设计不合理，因此应通过改变构件形状尺寸、调整设备固有频率等措施来避免。

（5）接触疲劳

疲劳断裂原因分析

（1）零件的结构形状

零件结构形状不合理，主要表现在零件最薄弱的部位，角部、孔部、凹槽、螺纹等形状出现突变，造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最容易在此处萌生。

（2）表面状况

不同的切削方法（车、铣、刨、磨、抛光）会形成不同的表面粗糙度，即大小不一、锋利程度不同的小缺口。这种小缺口与零件几何形状的突变一样，具有应力集中效应。由于表面状况不良而形成疲劳裂纹，是金属零件疲劳断裂的另一个重要原因。

（3）材料及其组织状态

生产过程中由于管理不善，选择材料不当或用错材料而引起的疲劳断裂也时有发生。金属材料组织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般来说，回火马氏体比其他混合组织，如珠光体加马氏体、贝氏体加马氏体等具有较高的疲劳抗力；铁素体加珠光体钢的疲劳抗力随珠光体组织相对含量的增加而提高；凡是能提高材料抗拉强度的热处理，通常都能提高材料的疲劳抗力。组织不均匀性，如非金属夹杂、疏松、偏析、混晶等缺陷，使疲劳抗力降低，成为疲劳断裂的重要原因。

（4）装配连接效果

装配和连接效果对构件的疲劳寿命影响很大，正确的紧固扭矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容易出现的问题是认为紧固力越大越有利于提高连接可靠性。使用实践和疲劳试验表明，这种观点是非常片面的。

（5）使用环境

环境因素的变化（低温、高温及腐蚀介质等）使材料的疲劳强度明显降低，常常造成零件过早断裂、失效。例如，镍铬钢（0.28%C、11.5%Ni、0.73%Cr）在海水中淬火回火状态下的疲劳强度仅为大气中疲劳极限的20%左右。（摘自网络）