第三章 金属疲劳破坏机理及 断口分析 一、疲劳宏观断口 1、疲劳断口的特征 疲劳断口宏观来看由两个区域组成：疲 劳裂纹产生及扩展区和最后断裂区。 图1、疲劳断裂宏观断口 （a）旋转弯曲试样疲劳断口 （b）疲劳断口示意图 （1）疲劳裂纹产生及扩展区 由于材料的质量、加工缺陷或结构设计不当等原因， 在零件或试样的局部区域造成应力集中，这些区域 便是疲劳裂纹核心产生的策源地。 疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下继续扩展长大。 常常留下一条条的同心弧线，叫做前沿线（疲劳 线），这些弧线形成了象“贝壳”一样的花样，也 称为贝纹区。断口表面因反复挤压、摩擦，有时光 亮得象细瓷断口一样。 （2）最后断裂区 疲劳裂纹不断扩展，使得零件或试样有效断面逐渐 减少，应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度 时，则发生断裂，形成最后断裂区。 对于塑性材料，断口为纤维状，呈暗灰色。 对于脆性材料则是结晶状。 2、影响疲劳断口的因素 （1）试样或零件所受载荷类型。 （2）试样或零件所受应力的大小。 （3）应力集中因素。 图2、平板试样拉压疲劳断口形态示意图 （a）平板试样；（b）带缺口的平板试样 图3、各类疲劳断口形态的示意图 二、金属疲劳破坏机理 疲劳裂纹的产生 金属所受交变应力的最大值低于材料的屈服强度， 为什么会产生疲劳断裂呢？为了搞清楚金属疲劳断 裂的本质，通常是在消除外界应力集中的情况下， 研究金属疲劳的微观变化，从而提高疲劳抗力的途 径。 图4、静拉伸和交变载荷下的滑移带 （a）静拉伸（ 0.2） （b）交变应力（ = -1，N=105次） 从图4可以看出，静拉伸试样表面上到处布满细密的 滑移带。交变载荷下，经过应力循环之后，只有部 分晶粒的局部地方出现细滑移带，表现为滑移的不 均匀性。这种滑移的不均匀性通常集中在金属表面、 金属的晶界及金属夹杂物等处，并在该处形成疲劳 裂纹核心。 图5低碳钢经过不同循环次数后形成的滑移带。 图5、低碳钢在交变应力下（= -1）滑移带的发展 （a）N=104次；（b）N=2106次 图6、低碳钢（= 2-1）形成的滑移带 （a）N=6104次；（b）电解抛光后留下的“驻留滑移带” 图7、交变应力下金属表面形成的“挤出脊”及“挤入沟” 驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等，都是金属 在交变载荷作用下表面不均匀滑移造成的疲 劳裂纹核心策源地。这些裂纹核心在交变应 力作用下逐渐扩展，相互连接，最后发展成 为宏观疲劳裂纹，图8所示。 图8、疲劳裂纹经过滑移集中区 产生疲劳裂纹核心的地方还有晶界，孪晶界 以及非金属夹杂物等处，如图9、10、11所示。 图9 晶界处形成的疲劳裂纹核心（铁钴钒合金） （a）晶界处应力集中；（b）晶界处产生裂纹 图10 孪晶处形成的 疲劳裂纹核心 用位错理论解释疲劳裂纹的形成： 第一阶段，在交变载荷作用下，金属表面上发现有均匀分布的细滑移线，如图12 所示。 第二阶段主要表现为滑移带交宽，以致形成“驻留滑移带”。如图13位错模型来 解释。 在交变应力作用下，当两条细滑移线上螺位错滑移时，便使滑移面上堆积的位错 相消，则在这些面上的位错源S1、S2、S3等将继续产生位错，滑移线便发展增长， 许多滑移线发展，就表现为滑移带的变宽和加深，以致形成“驻留滑移带”。 图11 非金属夹杂物处产生的疲劳裂纹 （a）夹杂物处的不均匀滑移；（b）夹杂物处形成的疲劳裂纹核心 图12 疲劳第一阶 段形成的细滑移 线 图13 滑移线的发 展 图14 平行二面上 两列异号位错相 消形成空洞 三、疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹是咋样扩展的呢？裂纹扩展有什么特征呢？ 在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹扩展可以分为 两个阶段，如图15所示。 图15 疲劳裂纹 扩展的阶段 疲劳裂纹扩展的第阶段，通常是从金属 表面上的驻留滑移带、挤入沟或非金属夹杂物 等处开始，沿最大切应力（和主应力方向近似 成45）的晶面向内扩展，由于各晶粒的位向 不同以及晶界的阻碍作用，随着裂纹向内扩展， 裂纹的方向逐渐转向和主应力垂直。这一阶段 的扩展速率很慢，每一应力循环大约只有10 数量级，扩展的深度约有几个晶粒。在有应力 集中的情况下，则不出现第阶段，而直接进 入第阶段。 第二阶段-裂纹扩展方向和主应力垂直。 这一阶段裂纹扩展的途径是穿晶的，其扩展 速率较快，每一应力循环大约为微米数量级。 电子显微镜断口分析中能看到一些疲劳辉纹 （疲劳条纹）。这种疲劳辉纹是判断零件是 否疲劳断裂的有力依据。 疲劳辉纹分为塑性辉纹、脆性辉纹和微坑辉 纹等几种。 （1）塑性辉纹的形成过程，如图16所示。 图16（a）表示交变应力为零时， 裂纹闭合。 图16（b）表示裂纹受拉时裂纹张 开，裂纹尖端尖角处由于应力集中 而沿45方向产生滑移。 图16（c）表示当拉应力达到最大 时，滑移区扩大，使裂纹尖端变成 了近似半圆形。裂纹尖端由锐变钝， 应力集中减小，最后滑移停止，裂 纹停止扩展。-“塑性钝化”。 图16（d）表示反号应力作用时， 滑移沿相反方向进行，原裂纹表面 和新产生的裂纹表面被压近，在裂 纹顶端处被弯折成一个耳状切口。 图16（e）表示当反号应力最大时， 裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝 变锐，形成一个尖角，裂纹前沿向 前扩展一个裂纹。下一次应力循环 又重复以上过程。 图16 疲劳塑性辉纹形成过 程示意图 因此，疲劳裂纹的扩展是在裂纹尖端塑性钝 化（钝锐交替变化）过程中不断向前推进的。 在电子显微镜下看到疲劳断口的辉纹就是每 次交变应力下裂纹扩展留下的痕迹。 在一定条件下，可以根据疲劳辉纹之间的宽 度近似地估计疲劳裂纹的扩展速率。 图图17 疲劳裂纹和疲劳断口上的辉纹疲劳裂纹和疲劳断口上的辉纹 许多工业金属材料，由于内部存在晶界及非 金属夹杂物等障碍，疲劳裂纹尖端塑性变形 的对称性常常被破坏，所以就出现裂纹两侧 不对称的现象，如图18所示。 一般铝合金疲劳断口上的疲劳辉纹较明显， 而钢的则不明显甚至看不到疲劳辉纹。 图18 疲劳裂纹不对称扩展 图 19 7178 铝 合 金 疲 劳 辉 纹 ， 箭 头 表 示 裂 纹 扩 展 方 向 图20 Q345桥梁钢在最大应力340Mp下，扩展区相貌 前部 中部 后部 （2）脆性辉纹（解理辉纹） 图a表示裂纹不受力时的形状 图b表示在拉应力下疲劳尖端产 生解理断裂，裂纹向前扩展。 图c表示在切应力作用下沿点线 的方向在很窄的范围内产生切变， 不过塑性变形只在裂纹尖端局部 地区进行。 图d表示在最大拉应力下发生塑 性钝化，这种钝化使裂纹扩展停 止。 图e表示在最大压应力下裂纹闭 合。下一次应力循环，解理断裂 将在和解理面方位最适宜的裂纹 分叉处产生。 图21 脆性辉纹形成过程示意图 图22 2014铝合金疲劳脆性辉纹 脆性辉纹的主要特点：与塑性辉纹相比，它的扩展 不是塑性变形而是解理断裂。因此，断口上有细小 的晶面，它是裂纹尖端发生解理断裂时形成的解理 平面，这些解理平面常常有解理断口的特点，即有 河流花样。但同时裂纹尖端又有塑性钝化，因之这 又形成了辉纹的特征。故在脆性辉纹中常常看到有 弧线的辉纹，还有和裂纹扩展方向一致的河流花样， 河流花样的放射线和辉纹相交，相互近似垂直，如 图23所示。 图23 两种疲劳辉纹示意图 （a）塑性辉纹； （b）脆性辉纹 特别注意：宏观断口上看到的贝纹线和电子 显微镜看到的疲劳辉纹不是一回事。 贝纹线是因交变应力幅度变化和载荷停歇等 原因形成的宏观特征。 疲劳辉纹是一次交变应力循环裂纹尖端塑性 钝化形成的微观特征。 疲劳辉纹是用来判断疲劳断裂的重要微观依 据之一。 四、最后断裂区形貌分析 1、韧性断裂的微观机制 （1）断口的微观形貌 韧性断裂有两种类型：纯剪切型断裂和微孔聚集型断裂 微孔聚集型断裂的断口特征在高倍电子显微镜下观察，可见 大量微坑覆盖断面，这些微坑称为韧窝。形貌如图24所示。 韧窝有抛物型的剪切韧窝、撕裂韧窝和等轴韧窝三种。抛物 型的剪切韧窝只有在高纯金属中才易出现。 图24 韧窝形貌 （a）撕裂韧窝（碳素钢760）；（b）铜 （复型2600） （2）韧窝形成过程 对韧窝内部进行仔细观察，在钢中多数情况 下能够看到非金属夹杂物存在，因此，便想 到韧窝形成与第二相粒子存在有关。 韧窝形成模型：如图25所示。 图25 裂纹在夹杂物边界上形成与长大的 示意图 图（a）当塑性变形时，在夹杂物周围 塞积着位错环。 图（b）随着变形增大，位错会受到两 方面力的作用。最终两个力达到平衡， 使位错停止放出位错。 图（c）当外力足够大，或者是由于某 些粒子周围存在应力集中时，有可能将 位错推向基体与第二相粒子的界面， AB面分开形成空洞。 图（d e）导致微孔扩大。图（f）位错 沿不同方向滑移到粒子边界。 图26 15钢裂纹在夹杂物界面形成、扩展至断裂的全过程 2000透射 受力方向 综上所述：韧窝的形成是由于塑性变形使夹 杂物界面上首先形成裂纹，并不断扩大，最 后夹杂物之间的基体金属产生“内缩颈”， 当缩颈达到一定程度被撕裂或剪切断裂，使 空洞连接，从而形成了所看到的韧窝断口形 貌。如图27所示。 图27 断口的相配观察 2000扫描 图28 Q345桥梁钢最后断裂区形貌 （3）影响韧窝形貌的因素 韧窝的形成位置、形状、大小、深浅是很不 同的，它们受很多因素影响，大致归纳三个 方面：成核粒子的大小及分布；基体材 料的塑性能力，尤其是形变强化能力；外 界因素，包括应力大小、应力状态温度和 形变速度，如图29所示。 图29 影响韧窝形貌的各种因素 韧窝的形状主要取决于应力状态，或决定于 拉应力与断面的相对取向，如图30所示。 图31 三种应力状态下形成显 微空洞及断口韧窝形态示意图 图（a）正应力垂直于微孔的平面， 使微孔在垂直于正应力的平面上 各方向长大的倾向相同，就形成 等轴韧窝。 图（b）在切应力作用下的断裂， 韧窝的形态是拉长的抛物线形状， 在对应的断面上抛物线方向相反。 图（c）由拉应力引起的撕裂，也 可以造成拉长的抛物线韧窝，其 抛物线的方向都指向裂纹的起源 处。 2、脆性解理断裂的微观机制 脆性断裂以前没有明显宏观塑性变形，是一 种极危险的断裂。如高强度钢存在原始裂纹 产生的低应力脆断，结构钢在低温下的冷脆 断，交变应力的疲劳断裂等。 （1）断口的微观形貌 解理断裂是在拉伸应力作用下引起的一种脆 性穿晶断裂，通常总是沿着一定的结晶面分 离，这种晶面称为解理面。 解理面-一般都是低指数面，表面能低，理 论断裂强度最低。 用透射、扫描电子显微镜观察每一个小平面，发现 小平面并不是一个单一的解理面，而是由一组平行 的解理面所组成。两个平行解理面之间相差一定高 度，交接处形成台阶。从垂直断面方向观察可见， 台阶汇合形成一种类似河流的花样，称为“河流花 样”。河流花样本身就是台阶存在的标志。 图32 河流花样 （a）扫描 1500；（b）复型透射 河流花样的走向可以判断裂纹源的位置和裂纹扩展 的方向，河流上游（即支流发源处）是裂纹发源处， 而河流的下游是裂纹扩展的方向。 解理断裂的另一断口学特征是存在“舌状花样”， 因为其形状确实象躺在解理面上的“舌头”而得名， 其断口形貌如图33、34所示。 图33铁的舌状花样，箭头表示裂纹 扩展方向，复型4400 图 34 铁 的 舌 状 花 样 相 配 观 察 照 片 复 型 3800 2 解理台阶及河流花样形成原因 （1）解理裂纹与螺型位错交截形成台阶。 图35解理裂纹与螺型位错交截而形 成一个b高低的台阶 图36台阶形成过程的简化图 （2）河流花样 当裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台