1.疲劳断口宏观形貌

由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。

典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、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五个区域，如图5-1和图5-2所示。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程零件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。

图5-1 疲劳断口示意图

（1）疲劳源区 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生区。它通常是由多个疲劳裂纹萌生点扩散并相遇而形成的区域。该区由于裂纹扩展缓慢以及反复张开闭合效应，引起断口表面磨损而有光亮和细晶的表面结构。这个区域在整个疲劳断口中所占的比例很小，实际断口上通常就是指放射源的中心点（见图5-3）或贝壳线的曲率中心点（见图5-4）。由于疲劳断裂对表面缺陷非常敏感，因此，这些疲劳源区常在金属零件的表面，如图5-2、图5-3所示。但当在零件的心部或亚表层存在有较大的缺陷时，断裂也可从零件的心部和次表层开始，如图5-4、图5-5所示。

图5-2 实际的疲劳断口

图5-3 叶片的疲劳断口

图5-4 疲劳断口的贝纹线和疲劳源区

一般情况下，一个疲劳断口只有一个疲劳源，但在反复弯曲时可出现两个疲劳源；而在腐蚀环境中，由于滑移使金属表面膜破裂而形成许多活性区域，故可出现更多的疲劳源；当在低的交变载荷下工作的零件发生疲劳断裂时，由于金属零件表面的多处缺陷，也可形成多个疲劳源（见图5-6）。

一般情况下，应力集中系数越高，或者是交变应力的水平越高，则疲劳源区的数目也越多。对于表面存在类裂纹的零件，其疲劳断口上则往往不存在疲劳源区，而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的亚临界扩展区，是疲劳断口上最重要的特征区域。该区域形态多种多样，可以是光滑的，也可以是瓷状的；可以有贝纹线，也可以不出现；可以是晶粒状的，也可以是撕裂脊状等。具体形态将取决于零件所受的应力状态及运行情况（包括裂纹尖端的最大应力强度因子和最小应力强度因子K_Imax和K_Imin、频率f、环境、温度等）。当K_Imax＞K_IC＞K_Imin时，可以出现撕裂脊；当K_Imax＞K_ISCC时，可以出现结晶状断口；当频率f高时可出现平断口，而当f低时可以出现撕裂状断口。当然也可以出现混合断口。当疲劳载荷中有压应力时，可使已开裂的断面相互摩擦而发亮；当运行过程中有反复开机、停机动作时，可能会有贝纹线出现。由于载荷的变化、材料中的缺陷以及残余应力的再分配等因素的作用，裂纹在扩展过程中，会不断改变扩展方向并形成二次台阶、线痕及弧线。(www.daowen.com)

图5-5 蒸汽锤活塞杆疲劳断口

图5-6 螺栓疲劳断口

当交变载荷的应力幅一定时，疲劳裂纹以一定的速度（da/dN）扩展。而随着疲劳裂纹的增长，应力幅S_a也逐渐加大，当S_a趋近R_m时，零件的开裂由疲劳裂纹过渡到过载开裂。该区域具有较大的扩展速度及表面粗糙度，并由于伴随有材料的撕裂而汇合成附加的台阶，或汇合成小丘陵结构。

（3）瞬时断裂区 瞬时断裂区即快速静断区。当疲劳裂纹扩展到一定程度时，零件的有效承载面承受不了当时的载荷而发生快速断裂。断口平面基本与主应力方向垂直，粗糙的晶粒状脆断或呈放射线状，对于高塑性材料也可能出现纤维状结构。这部分与前述过载断裂相似，在此不再赘述。

2.疲劳断口宏观形貌的基本特征

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（贝壳花样）或海滩花样（见图5-2、图5-4）。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，在断面上留下的塑性变形的痕迹。对于光滑试样，疲劳弧线的圆心一般指向疲劳源区。当疲劳裂纹扩展到一定程度时，也可能出现疲劳弧线的转向现象。当试样表面有尖锐缺口时，疲劳弧线的圆心指向疲劳源区的相反方向。这些特征可作为判定疲劳源区位置的依据或表面缺口影响的判据。

疲劳弧线的数量（密度）主要取决于加载情况。启动和停机或载荷发生较大的变化，均可留下疲劳弧线。并不是在所有的疲劳断口上都可以观察到疲劳弧线，疲劳弧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。材料的塑性低或裂纹扩展速度快，以及断裂后断口受到污染和不当的清洗等，都难以在断口上观察到清晰的疲劳弧线，但这并不意味着断裂过程中不形成疲劳弧线。

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，如图5-7所示。

图5-7 疲劳台阶

a）疲劳源区的台阶 b）扩展区的台阶

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。实际上，前述的疲劳断口典型宏观形貌的三个区，就是疲劳断裂断口的基本宏观特征。有时断口上观察不到疲劳弧线及台阶而仅有光亮区与粗糙区之分，则光亮区为疲劳区，粗糙区为瞬断区。有时光亮区仅为疲劳源区。