金属疲劳断裂的特点

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一、概述

       金属零部件在远低于材料强度极限的交变应力作用下，发生的破坏叫做金属疲劳破坏。据统计，在机械零件失效中有80％以上属于疲劳破坏。

例如大多数轴类零件，通常受到的交变应力为对称循环应力，这种应力可以是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。如火车的车轴，是弯曲疲劳的典型，汽车的传动轴、后桥半轴主要是承受扭转疲劳，柴油机曲轴和汽轮机主轴则是弯曲和扭转疲劳的复合。再如齿轮在啮合过程中，所受的负荷在零到某一极大值之间变化，而缸盖螺栓则处在大拉小拉的状态中，这类情况叫做拉-拉疲劳；连杆不同于螺栓，始终处在小拉大压的负荷中，这类情况叫做拉-压疲劳。

       我们还可以列举很多常用的机械零件所受的负荷情况，综合这些情况就会得到上面已经提过的结论：大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。

二、疲劳断裂破坏的特点

       尽管疲劳断裂有各种类型，但它们都有一些共同的特点：

       1、 发生断裂时，零部件并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。

       2、通常引起疲劳断裂的应力值很低，常常低于静载时的屈服强度。

       3、发生疲劳断裂产生的断口处能清楚地显示出裂纹源、扩展和最后断裂三个组成部分。

三、疲劳断口分析

       疲劳断口有各种型式，它取决于载荷的类型，即所受应力为弯曲应力、扭转应力还是拉-压应力，同时与应力的大小和应力集中程度有关。

       一个典型的金属疲劳断口总是由疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区三部分构成。

       (一)疲劳源区

       疲劳源是零件疲劳破坏的起始点，用肉眼很难看到，它通常发生在零构件的尖角、凹糟、截面突变等应力集中部位表面，或发生在有夹杂、疏松、气孔等零构件的内部。

       当零构件在工作中出现应力峰值时，这些部位就会突破晶间结合力，产生微观裂纹。且沿一定的结晶学面生长，形成疲劳裂纹的核心-疲劳源。然后，裂纹立即沿滑移带与应力成45°角向金属内部伸展。从金属表面材料滑移到裂纹成核，称为疲劳过程的第一阶段。

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% v" Y/ y7 c0 f2 q. P  P       (二)疲劳扩展区
       这一区域的形成是由疲劳源开始的。在疲劳源区，裂纹伸展到一定长度后，逐渐改变方向，最后与拉应力成垂直。按非结晶学方式扩展，即进入裂纹扩展的第二个阶段。这一阶段裂纹扩展既有微观扩展阶段，也有宏观扩展阶段，它们的扩展性质一致，只存在着量的差别。
       在裂纹的第二个阶段扩展中，又分为裂纹被包围的弹性区内扩展和裂纹在塑性区内扩展。当裂纹长度远远大于裂纹顶端塑性尺寸时。对于承受低循环、高载荷、高裂纹扩展速度的零构件，属于在塑性区内的扩展。裂纹在第二个阶段的扩展过程，是裂纹顶端附近金属在剪应力作用下，发生反复塑性变形过程。
6 _, f! J7 d% O8 ^0 D; M  g9 x       (三)瞬时断裂区
; Z! p3 v: U6 R* N( p: F3 a       随着疲劳裂纹的不断扩展，使零构件承受应力的有效面积越来越小。当其一应力循环次数的最大应力大于材料的疲劳极限时。便产生瞬间断裂，形成了疲劳断裂区。对于塑性材料，其断口呈纤维状，暗灰色；对于脆性材料，其断口呈结晶状。
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