结构疲劳破坏与失效断裂分析

结构疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一，在金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲劳学科。自从Wöhler的经典疲劳著作发表以来，人们充分地研究了不同材料在各种不同载荷和环境条件下试验时的疲劳性能。尽管大多数工程技术人员和设计人员已经注意到疲劳问题，而且已积累了大量的实验数据，目前仍然有许多设备和机器发生疲劳断裂。

疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零件、构件和设备的寿命估算，已成为疲劳强度的一个重要组成部分。疲劳已从一个古老的概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的一门新兴学科——疲劳强度。

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  1. 疲劳断裂失效的一般特征：

  ①疲劳断裂的突发性；

   

  ②疲劳断裂应力很低；

  ③疲劳断裂是一个损伤积累的过程；

  ④疲劳断裂对材料缺陷的敏感性；

  ⑤疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性。
   2.属疲劳断口宏观形貌：疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区。
   ①疲劳源区：断口表面磨损而又光亮和细晶的表面结构，位于放射源的中心或贝纹线的曲率中心。主要受到应力状态和载荷种类的影响；
   ②疲劳裂纹扩展区：可以有贝纹线也可以没有。
   3.疲劳断口宏观形貌的基本特征：

  ①疲劳弧线是疲劳断口宏观形貌的基本特征。它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆形或扇形的弧形线，又称贝纹线或海滩花样。

  ②疲劳台阶为疲劳断口上另一基本特征。一次疲劳台阶出现在疲劳源区，二次台阶出现在疲劳裂纹的扩展区，它指明了疲劳裂纹的扩展方向，并与疲劳弧线相垂直，呈辐射状。

  ③疲劳断口上的光亮区也是疲劳断裂宏观断口形貌的基本特征。
   
   4.拉压疲劳断裂：疲劳核心多源于表面而不是内部，这一点与静载荷拉伸断裂时不同。
   弯曲疲劳断裂：单向弯曲疲劳（疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个，断口上可以看到呈同心圆状的贝纹线，且呈凸向）、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳。
   扭转疲劳断裂：正向断裂、切向断裂、混合断裂
   
   5.疲劳断口的微观形貌特征：疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹。塑性疲劳辉纹是具有一定间距，垂直于裂纹扩展方向，明暗相交且互相平行的条状花样；脆性疲劳纹形态较复杂，呈羽毛状的脆性疲劳辉纹花样。

        塑性疲劳纹与脆性疲劳纹的区别（图5-12） 

   

   

  

   

  疲劳辉纹的特征：

  ①疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大。

  ②疲劳辉纹的形状多为向前凸出的弧形条痕。

  ③疲劳辉纹的排列方向取决于各段疲劳裂纹的扩展方向。

  ④面心立方结构材料比体心立方结构易于形成疲劳辉纹，平面应变状态比平面应力状态易形成疲劳辉纹，一般应力太小时观察不到疲劳辉纹。

  ⑤并非在所有的疲劳断口上都能观察到疲劳辉纹，疲劳辉纹的产生与否取决于材料性质、载荷条件及环境因素等多方面的影响。

  ⑥疲劳辉纹在常温下往往是穿晶的，而在高温下也可以出现沿晶的辉纹。

  ⑦疲劳辉纹有延性和脆性两种类型。
   
   疲劳辉纹不是贝纹线
   
   6.机械疲劳断裂：

  ①高周疲劳断裂 微观特征：细小的疲劳辉纹；宏观特征：多数情况下。零件光滑表面上发生高周疲劳断裂断口上只有一个或有限个疲劳源。

  ②低周疲劳断裂微观特征：粗大的疲劳辉纹或粗大的疲劳辉纹与微孔花样；宏观断口上存在多疲劳源是低周疲劳断裂的特征之一。

   7.振动疲劳断裂 共振疲劳断裂是机械设备振动疲劳断裂的主要形式，除此之外尚有颤振疲劳和喘振疲劳。

   

  

   

  8.接触疲劳：一般认为接触疲劳可分为在材料表面或表层形成疲劳裂纹和裂纹扩展两个阶段。

  宏观特征：接触面上的麻点、凹坑和局部剥落；微观特征：裂纹源处有明显的疲劳台阶，因摩擦形成的扭曲形态。
   
   9.腐蚀疲劳断裂的断口特征：①脆性断裂，断口附近无塑变。②微观断口可见疲劳辉纹，但由于腐蚀介质的作用而模糊不清；二次裂纹较多并具有泥状花样。③属于多源疲劳，裂纹的走向可以是穿晶型的也可能是沿晶型的，以穿晶裂纹比较常见。④断口上的腐蚀产物与环境中的腐蚀介质相一致。
   
   10. 热疲劳破坏特征：

  ①典型的表面疲劳裂纹呈龟裂状；根据热应力方向，也可以近似形成相互平行的多裂纹形态。

  ②裂纹走向可以是沿晶型的，也可以是穿晶型的；一般裂纹端部较尖锐，裂纹内有或充满氧化物。

  ③宏观断口呈深灰色，并为氧化物覆盖。

  ④由于热蚀作用，微观断口上的疲劳辉纹粗大，有时尚有韧窝状花样相对应。

  ⑤裂纹源于表面，裂纹扩展深度与应力、时间及温差变化相对应。

  ⑥疲劳裂纹为多源。