金属疲劳断口的宏现形状特征

收藏【技术类】

金属疲劳断口的宏现形状特征

(2011-1-21 13:38:36)

疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹， 记录了很多断裂信息。具有明显 区

别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、 应

力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、 分析疲劳失 效原

因的重要方法。

一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂

区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给 疲

劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。

1、 疲劳裂纹源区

疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机 件

的表面，源区的断口形貌多数情况下比较平坦、 光亮，且呈半圆形或半椭圆形。 因

为裂纹在源区内的扩展速率缓慢， 裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多，所以其 断口

较其他两个区更为平坦，比较光亮。在整个断口上与其他两个区相比， 疲劳 裂纹源

区所占的面积最小。

当表面承受足够高的残余压应力或材料内部存在严重的冶金缺陷时， 裂纹源

则向次表面或机件内部移动。有时在疲劳断口上也会出现多个裂纹源， 每个源区 所

占面积往往比单个源区小，源区断口特征不一定都具有像单个源区那样典型的 形

貌。裂纹源的数目取决于材料的性质、机件的应力状态以及交变载荷状况等。 通

常，应力集中系数越大，名义应力越高，出现疲劳源的数目就越多，如低周疲航模是什么意思 劳断

口上常有几个位于不同位置的疲劳裂纹源区。

当零件表面存在某类裂纹时，则零件无疲劳裂纹萌生期，疲劳裂纹在交 变

载荷作用下直接由该类裂纹根部向纵深扩展，这时断口上不再出现疲劳源区， 只有

裂纹扩展区和瞬时断裂区。

2、 疲劳裂纹扩展区

疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域，该区是判 断

疲劳断裂的最重要特征区域，其基本特征是呈现贝壳花样或海滩花样， 它是以 疲劳

源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称疲劳 弧线。

疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断 裂面上留

下的塑性变形的痕迹。

贝纹花样是由载荷变动引起的，因为机器运转时不可避免地常有启动、 停

歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹一贝纹线(疲劳弧线)。贝纹线的 清晰度

不仅与材料的性质有关，而且与介质情况、温度条件等有关，材料的塑性 好、温度

高、有腐蚀介质存在时，则弧线清晰。所以，这种弧线特征总是出现在 实际机件的

疲劳断口中，而在实验室的试件疲劳断口中很难看到明显的贝纹线， 此时疲劳断口

表面由于多次反复压缩而摩擦， 使该区变得光滑，呈细晶状，有时 甚至光洁得像瓷

质状结构。一般贝纹线常见于低应力高周疲劳断口中， 而低周疲 劳以及许多高强度

钢、灰铸铁中观察不到此种贝纹状的推进线。

贝纹线与裂纹扩展方向垂直，它可以是绕着裂纹源向外凸起的弧线， 表

示裂纹沿表面扩展较慢，即材料对缺口不敏感，例如低碳钢；相反，若围绕裂纹 源

成凹向弧线，说明裂纹沿表面扩展较内部快些， 表示材料对缺口敏感，如高碳 钢。

贝纹线间距也有不同。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢； 远

离疲劳源区则贝纹线较稀疏，表明裂纹扩展较快。疲劳裂纹扩展区在断口所占 据的

面积为最大，而贝纹区的面积大小取决于材料性质及构件的应力状态及 应力

幅等。随着应力幅的降低或材料韧性较好时，贝贝纹区较大，贝纹线细而明显；

U

反之随着应力幅的提高或材料韧性较差，则贝纹区较小，贝纹线粗而不明显。

当轴类机件拉压疲劳时，若表面无应力集中（无缺口），则裂纹因截面 上

应力均等而沿截面等速扩展，贝纹线呈一簇平行的圆弧线。若机件表面存在应 力集

中（环形缺口），则因截面表层的应力比中间的高，裂纹沿表层的扩展快于 中间

区；高应力时，瞬断区面积相对较大，疲劳裂纹扩展区面积小，裂纹沿两边 及中间

扩展差别不大，贝纹线的形状为半圆弧形一半椭圆弧个波浪弧一最后凹向 半椭圆弧

变化。当机件弯曲疲劳时，其表面应力最大，中心最小，其贝纹线变化 与缺口机件

的拉压疲劳相似，如表面又存在缺口造成应力集中，则其变化程度会 更大。若机件

为扭转疲劳时，其最大正应力和轴向呈 45角分布，最大切应力

垂直或平行轴向分布，故疲劳断口有二类，一类为正断型，另一类为切断型。脆 性

材料常是正断型扭转疲劳，常见的有锯齿状断口及星形断口， 呈纤维状，如花 键轴

的断口。切应力引起的切断型疲劳断口， 断面垂直或平行于轴线，此时不会 出现贝

纹线，有时扭转疲劳也会出现混合断裂。

综上所述，应力集中影响贝纹线的形状，应力集中增大，相应的贝纹线 较

平坦；名义应力影响最终瞬断区的大小， 名义应力增大，最终破断区的面积增 加；

应力状态主要影响疲劳源的位置和数量， 双向弯曲，最小有两个疲劳源以及 相应的

扩展区，旋转弯曲则最终破断区向旋转的反方向偏转一定角度。

此外，对疲劳断口有时还有另一基本特征即疲劳台阶。这是由于裂纹扩展过 程

中，裂纹前沿的阻力不同，而发生扩展方面上的偏离，此后裂纹开始在各自的 平面

上继续扩展，不同的断裂面相交而形成台阶。一次疲劳台阶出现在疲劳源区， 二次

疲劳台阶出现在疲劳裂纹的扩展区， 它指明了裂纹的扩展方向，并与贝纹线 相垂

直，呈放射状射线。

3、瞬时断裂区

由于疲劳裂纹不断扩展，使零件或试样的有效断面逐渐减小， 因此，应力不

断增加。对塑性材料，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时， 便

发生瞬时断裂，当材料塑性很大时，断口呈纤维状，暗灰色；对脆性材料，当 裂纹

扩展至材料的临界裂纹尺寸时，便发生瞬时断裂，断口呈结晶状。因此， 瞬时

a c

断裂是一种静载断裂，它具有静载断裂的断口形貌，是裂纹最后失稳快速扩 展所形《三国演义》简介

成的断口区域。

与其他两个区相比，瞬断区的明显特征是具有不抗皱补水护肤品排行榜 平坦的粗糙表面， 而裂

纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区。

瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材草螽 料性质、 几何形状、应力集中

程度、加载方式及大小以及环境等因素，若应力较高或材料韧性较差，则瞬断区 面

积较大；反之，则瞬断区就较小。

以上分别介绍了各种条件下出现的疲劳断口三个区域的一般宏观特征，它 们是

判断零件疲劳失效的重要证据之一。 但是影响疲劳断口形貌的还有其他许多 因素，

诸如材料种类、强度级别及环境介质等，这些因素可能使断口三个区域的 形貌及其

界限模糊不清，所以实际零件的宏观断口形貌有时并不那么典型、 分明。 此外，在

某些情况下，由于断口的宏观形貌在现场中遭破坏或者由于断口匹配面 在断裂过程

中受到严重磨损等原因，以至于无法借助于它的宏观形貌来判断其失 效性质。在另

一些情况下，虽然由断口的宏观形貌可以判断其失效性质， 但尚需 进一步查明引起

疲劳失效的原因，这时就需要借助于微观断口分析。

金属脆性断裂失效现象

近百年来，随着金属材料的广泛应用，曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故， 包

括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等，造成 严重

的后果和重大的经济损失。

通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征有：

1零件断成两部分或碎成多块；

2、 断裂后的残片能很好地拼凑复原， 断口能很好地吻合，在断口附近没有

宏观的塑性变形迹象；

3、 脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们 把脆

性断裂又称为“低应力脆性断裂”；

4、 脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；

5、 温度降低，脆断倾向增加；

6、 脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射 状或

人字纹条纹；

7、 一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因 此带

来的后果常常是灾难性的；

8高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低 强度钢也可 能发

生脆性断裂。脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现， 而面心 立方金

属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。

金属脆性断裂失效原因分析

1、应力分布

最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。最大切应力促进塑 性

变形，是位错移动的推动力，而最大拉应力则只促进脆性 裂纹的扩展。当零件 存在

缺陷（如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等）或零件的截面突然变化， 这些

部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀，即造成三向拉应力状态，极易 导致脆

性断裂。因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是 造成金属

零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。材料的应力状态越严 重，则发生解

理断裂的倾向性越大。

2、温度

温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增

加，韧性下降，解理应力也随着下降。对某些体心立方金属及合金，由于位错中 心

区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错， 特别在低温下，这种结构的螺位

错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力在职研究生的学费 移动单位请缨 位错所需的 临界

切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温 度降低

而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原 因。

金属零件发生低温脆断的基本条件：一是所用材料属于冷脆金属；二是 环境温度较

低，即零件处在脆性转变温度 T以下的环境中工作；三是零件的几 何尺寸较大，即处在平面

c

应变状态。

此外，当零件上存在显微裂纹、缺口或大块非金属 夹杂物等缺陷时,会 使T提高，

c

从而促使零件在较高温度下发生脆化。

普通铸铁件，硬度不高，其基体为塑性很好的铁素体或珠光体， 但由于 晶粒粗

大，片状石墨造成的应力集中，加之含有大量缺陷使丁，显著升高，所以， 室温条件下即可

发生宏观脆性的解理断裂。

金属脆性断口微观形貌特征

1、解理断口

解理断裂常发生于低温、高应变速率、应力集中及粗大晶粒的条件下，裂 纹一经形成，

便会迅速扩展。因为解理的存在取决于晶体结构， 并且它沿着十分 确定的原子面扩展，所

以，宏观观察解理断口是十分平滑的， 相邻的区域没有塑 性变形，而在电镜下观察每一个解

理小刻面， 发现这些小刻面并不是一个单一的 解理面。金属解理断口的微观形貌最主要特征

是河流花样。

河流花样的形成是因为解理并非沿单一的结晶学平面进行， 而是沿着相

互平行的许多平面以不连续的方式开裂的。 不在一个平面上的解理 裂纹在向前扩 展时，通

过二次解理或与螺型位错相交时产生割阶，即解理台阶。解理台阶在裂 纹扩展过程中逐渐会

合，直至最后断裂。河流花样就是裂纹扩展中的解理台阶在 微观断口上的表现。裂纹源在河

流的上游，顺流方向即裂纹扩展谷草转氨酶 方向。

晶界常使解理断口呈现更复杂的形态。当解理裂纹通过小角度倾斜晶界 时，由于小

角度晶界由刃型位错组成，其两侧晶体仅相互倾斜一小角度， 且有公 共交截线，则它们对河

流花样的穿过不产生多大影响， 裂纹能穿过晶界，“河流” 能连续地延伸到相邻晶粒内。

当解理裂纹通过扭转晶界时，因晶界由螺位错组成，其两侧晶体以边界 为公共面转

动一小角度，使两侧解理面存在位向差，故裂纹不能连续通过晶界而 必须重新形核，在晶界

处形成新的“河流”，产生河流激增。当裂纹穿过大角度 晶界时也形成大量“河流”。

解理断裂的另一微观特征是舌状花样，因其在电子显微镜下类似人的舌 头而得名。

在体心立方金属中，在主解理面 ｛100｝上扩展的裂纹与孪晶面｛112｝ 相遇时，裂纹在孪晶

处沿｛112｝面产生二次解理（即二次裂纹），而孪晶以外的 裂纹仍沿｛100｝扩展，二次裂

纹沿孪晶面扩展，超过孪晶再沿 ｛100｝面继续扩展。 因此，获得形似舌头的特征花样。

2、准解理断口

这种断口常出现在淬火回火的高强度钢中， 有时也出现在贝氏体组织的 钢中。其

微观形貌特征具有河流花样、 小解理刻面，以及由隐蔽裂纹扩展接近产 生塑性变形所形成的

撕裂棱，有时也有舌状花样。因此。准解理裂纹即具有解理 断口的形貌特征，又具有韧性断

口的形貌特征（韧窝、撕裂棱），故其断口的微 观形貌是介于解理断口与 韧性断口之间的一

种断口形貌。

准解理断口与解理断口的区别表现在：准解理裂纹多萌生于晶粒内部的 空洞、夹杂

物、硬质点处，而解理裂纹则萌生在晶粒的边界或相界面上。

裂纹传播的路径不同，准解理是裂纹向四周扩展，裂纹的扩展从解理台 阶逐渐过渡

向撕裂棱，相对于解理裂纹要不连续得多，而且多是局部扩展。解理 裂纹是由晶界向晶内定

向扩展，表现出河流走向。

准解理小刻面不是晶体学解理面。调质钢的准解理小刻面的尺寸比回火马 氏体的尺寸

要大得多，与原奥氏体晶粒尺寸相近。解理与准解理之间的主要区别 见下表。

解理与准解理断裂的区别

名称 解理 准解理

形核位置 夹杂、空洞、硬质点、晶内

扩展面 标准解理面

连续 撕裂棱、韧窝

r

晶界或其他界面

不连续、局部扩展、碳化物及质点影响路径、非标准解 理

面

二次解理面解理、撕裂 棱

断口形态尺寸 原奥氏体晶粒大小，呈凹盆状

以晶粒为大小，解理平 面

3、沿晶断口

沿晶脆性断裂是沿晶粒界面所发生的断裂， 断口的微观特征是晶界面上 相当平

滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面（小平 面）的“冰糖状”

断口形貌，冰糖块状恰好反映出晶粒这种多面体的特征。

金属脆性断裂的类型

断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的 特征来分类

的。

根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂 与脆性断裂。

韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断 裂前基本上不发生塑性变

形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害 性很大。通常，脆断前也产生微量塑

性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩 率小于5%为脆性断裂；大于5%为韧性断裂。可

见，金属材料的韧性与脆性是 依据一定条件下的塑性变形量来规定的， 随着条件的改变，材

料的韧性与脆性行 为也将随之变化。

多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆

性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂

（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、 夹杂物，

破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。 应力腐蚀、氢脆、回

火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂 和穿晶断裂可以混合发生。

按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在 一定条件下

（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用）， 当外加正应力达到一

定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理 面一般是低指数或表面能最低的

晶面。 对于面心立方金属来说，在一般情况

下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破 坏。

通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂， 两者不 是同义词，

它们不是一回事。

剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断 裂，它又分为

滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是 单晶体金属常发生滑断断

裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂， 如低碳钢 拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种

典型的韧性断裂。

根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。 若断裂面取向垂

直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最 大正应力方向

约成45角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大 约束下的断裂，后者如塑性变

形不受约束或约束较小情况下的断裂。

按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂 （如拉伸断裂、 扭转断裂、

剪切断裂等）、冲击断裂、疲劳断裂；根据环境不同又分为低温冷脆 断裂、高温蠕变断裂、应

力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全 断裂。

常用的断裂分类方法及其特征见下。

由于脆性断裂是一种“爆发病”，常导致灾难性后果，而绝大多数的断裂又 因疲劳而引

起。

分类方法 名 称 特 征

根据断裂前塑性变形大小 分

类

脆性断裂

韧性断裂

根据断裂面的取向分类 正断 断裂的宏观表面垂直于方向

根据裂纹扩展的途径分类: 穿晶断裂 裂纹穿过晶粒内部

切断

沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展

解理断裂

微孔聚集型断裂

断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮的 结

晶状

断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰色 纤

维状

（T max

断裂的宏观表面平行于方向

T

max

无明显塑性变形

沿解理面分离，穿晶断裂

根据断裂机理分类

沿晶界微孔聚合，沿晶断裂 在晶内微孔聚合，穿晶

断裂

纯剪切断裂

沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）

通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属）

断裂分类及其特征

金属疲劳断口的宏现形状特征

*人气(250)

•评论(0)