《金属材料零部件失效分析基础与应用》 课件 第3章 疲劳失效.pptx

1《金属材料零部件失效分析基础与应用》第3章疲劳失效

目录疲劳断口形成过程与形貌分析疲劳断口定量分析疲劳图在疲劳失效分析中的应用利用材料表面技术提高疲劳强度疲劳断裂实际案例

疲劳断口形成过程与形貌分析

3.1.1 疲劳断口形成与断口宏观形貌特征在2.1节中已经论述，疲劳断裂是在交变载荷作用下发生的，并有自身的特点。疲劳断口的形成一定与交变载荷有密切联系，以下图说明交变载荷与疲劳裂纹形成及扩展关系。交变载荷造成不均匀滑移产生裂纹源，虽然所施加的应力小于材料的屈服极限，但是由于裂纹尖端应力集中，每次循环均会产生局部的塑性变形。疲劳裂纹形成及开展与交变载荷的关系

3.1.1 疲劳断口形成与断口宏观形貌特征（b）汽车卷簧断口照片（a）柴油机水套断口照片疲劳弧线照片疲劳断裂断口典型的宏观形貌见图。疲劳断口形成的过程决定了疲劳断口宏观形貌特征，可以分成三个区域：（1）疲劳源区域。（2）疲劳裂纹扩展区。该区域是在裂纹扩展过程中，发生微小塑性变形后形成的形貌。（3）与拉伸过载断裂类似的瞬时断裂区域。

3.1.1 疲劳断口形成与断口宏观形貌特征疲劳断口宏观形貌特征：用肉眼或放大镜观察往往可见疲劳弧线（也称海滩标记、贝壳纹等），见上图。这是由宏观断口辨认疲劳失效最重要的特征，即如果观察到断口上有如此形貌，基本可以断定是疲劳断裂，同时判断出裂纹扩展方向与弧线垂直。这些肉眼可见的疲劳弧线是如何形成的？一般以拉-压交变载荷为例提出下面几种解释：（1）弧线是塑性变形留下的痕迹。这种痕迹的获得与裂纹尖端应力状态变化、方向变化密切相关（2）在交变载荷作用下，疲劳裂纹在表面形成后向另一侧扩展。（3）应力循环过程中，裂纹只能在拉应力作用下扩展，在压应力作用下裂纹不扩展。

3.1.2 宏观形貌对失效原因提供的信息1.根据断口疲劳弧线及断裂面确定裂纹源（疲劳源）与断裂模式疲劳断裂的裂纹源有以下一些特征：（1）一般处于零部件的表面。（2）一般位于疲劳弧线最小半径处或称疲劳弧线最小曲率半径处， 。有时可能出现几个疲劳源。（3）裂纹源区域是最早开裂的区域，在该区域裂纹扩展速率较缓慢，裂纹经过反复张开、闭合引起断口表面摩擦，所以一般较平整光滑。根据这些特征判断疲劳断裂的裂纹源，即疲劳源的位置。疲劳断裂的断裂模式一定是交变载荷，同时载荷基本垂直断裂面。利用疲劳断口疲劳弧线确定裂纹源

3.1.2 宏观形貌对失效原因提供的信息2.确定断裂机制宏观断口上的疲劳弧线是确定疲劳断裂的有利证据，是判断是否疲劳断裂的充分证据，但不是必要判据。再次说明断定一个零部件是否疲劳断裂，主要依据零部件是否经受交变载荷断裂，而不能根据断口上是否有疲劳弧线。因为根据上述疲劳弧线的形成机理可知：当疲劳裂纹扩展过程中如果没有中断，就不可能产生氧化现象，如果应力很低，再加上材料本身特性在受压应力作用时，摩擦并不发亮就难以观察到疲劳弧线，疲劳断口宏观形貌和载荷类型与应力大小的关系

3.1.2 宏观形貌对失效原因提供的信息3.定性判断载荷类型与应力大小如果是旋转弯曲，裂纹源出现在一侧表面；如果是单向弯曲，裂纹源也出现在一侧，但是如果载荷为反复弯曲，裂纹源可能出现在两侧。如果应力高，显然最后断裂区域面积就要增加，扩展区域面积就要减少，所以断口形貌与外加载荷有密切联系，见图。疲劳断口宏观形貌和载荷类型与应力大小的关系

3.1.2 宏观形貌对失效原因提供的信息4.瞬时断裂区面积、疲劳源数目与疲劳弧线形状反映出载荷大小断口瞬时断裂区域形成与拉伸过载断裂有类似之处，即当应力超过材料的断裂强度时发生断裂留下的痕迹。因此，瞬时断裂区面积大则说明外加载荷高。同时扩展区域与瞬时断裂区域比例反映了外加应力的大小与应力集中的程度，外加应力小、无明显应力集中，则疲劳扩展区大，否则瞬时断裂区面积大。疲劳源的数目与位置也反映应力集中与载荷情况。如果疲劳源的数目多，表明应力大或者应力集中严重。如果发现疲劳源出现在工件的对称位置，表明同时存在正向与反向载荷的对称作用。疲劳弧线的形状也与交变载荷状态有一定联系。如果没有应力集中作用，疲劳弧线多呈凸形，即弧线从裂纹源向扩展方向凸起。如果有缺口存在形成应力集中，会使疲劳裂纹沿外缘表面的扩展速率大于疲劳裂纹向内部的扩展速率，导致弧线成凹形；如果应力很大形成多个疲劳源，会使疲劳弧线由凸向凹转变。

3.1.2 宏观形貌对失效原因提供的信息5.判断材料韧性与脆性2.1节中已经论述，材料的韧性高低与拉伸断口形貌有密切关系。由于疲劳断裂断口与拉伸过载断口也有类似之处，所以也可以从疲劳断口分析材料韧性与脆性。对于塑性材料瞬时断裂区域，有时表现出塑性断口的特征，即表面粗糙不平呈纤维状断口，有时在瞬时断裂区域可看见剪切唇。如