疲劳断口的微观特征分析

时间：2023-06-28 理论教育 版权反馈

【摘要】：疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹的间距大小，与应力幅的大小有关。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。所谓延性疲劳断裂是指在这一断裂过程中有较大的塑性变形发生。

疲劳断口的微观特征分析

疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。塑性疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样，如图5-13a所示。脆性疲劳纹形态较复杂，图5-13b所示为呈羽毛状的脆性疲劳纹。

图5-12 锯齿状断口

疲劳辉纹中暗区的凹坑为细小的韧窝花样。在某种特定条件下，每条辉纹与一次应力循环周期相对应。疲劳辉纹的间距大小，与应力幅的大小有关。随着距疲劳源区距离的加大，疲劳辉纹的间距增大。晶界、第二相质点及夹杂物等对疲劳辉纹的微观扩展方向都有所影响，因而也对辉纹的分布产生影响。

疲劳辉纹的形貌随金属材料的组织结构、晶粒位向及载荷性质的不同而发生多种变化，其一般特征如下：

1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小，而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的推进量。

图5-13 疲劳断口中的疲劳辉纹花样

a）塑性疲劳纹（1000×） b）脆性疲劳纹（500×）

2）疲劳辉纹的形状多为向前凸出的弧形条痕。随着裂纹扩展速度的增加，线的曲率加大。裂纹扩展过程中，如果遇到大块第二相质点的阻碍，也可能出现反弧形或S形弧线疲劳辉纹。

3）疲劳辉纹的排列方向取决于各段疲劳裂纹的扩展方向。不同晶粒或同一晶粒双晶界的两侧，或同一晶粒不同区域的扩展方向不同，产生的疲劳辉纹的方向也不一样。

4）面心立方结构材料比体心立方结构材料易于形成疲劳辉纹，平面应变状态比平面应力状态易于形成疲劳辉纹。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。

延性疲劳辉纹是指金属材料疲劳裂纹扩展时，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳条痕通常是连续的，并向一个方向弯曲成波浪形（见图5-14）。通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电子显微镜下可以观察到微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性的。

脆性疲劳辉纹是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理辉纹。在电子显微镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹，又可观察到与裂纹扩展方向一致的河流花样及解理台阶，如图5-15、图5-16所示。对于脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的疲劳断裂，或缓慢加载的疲劳断裂，其疲劳辉纹通常是脆性的。面心立方金属一般不发生解理断裂，故不产生脆性的疲劳辉纹，但在腐蚀环境下也可以形成脆性的疲劳辉纹，如高强铝合金在腐蚀介质中的疲劳断裂就有脆性的疲劳辉纹。

图5-14 疲劳辉纹(www.daowen.com)

a）10200× b）12000×

图5-15 脆性疲劳辉纹与解理河流花样垂直（250×）

图5-16 脆性疲劳辉纹与解理台阶不同的位向（250×）

Forsyth对铝合金疲劳断口进行了仔细的观察和分析，提出两种疲劳条痕，即延性断裂条痕和脆性断裂条痕。脆性疲劳断裂似乎与严格的沿解理面发生的解理断裂有关，它只包含有小量的塑性变形。在断口表面上可以发现，它除存在相互平行的条痕外，还存在有垂直于条痕的解理阶，这些解理阶又把条痕割裂开来。G·Jacoby认为，脆性疲劳断裂是优先在低交变应力下发生的。

延性疲劳条痕是比较常见的，在高分子化合物中也能见到。这表明延性疲劳条痕的形成与金属的结晶学本质中间并没有必然的联系。所谓延性疲劳断裂是指在这一断裂过程中有较大的塑性变形发生。

除上述基本特征外，在一些包括面心立方结构的奥氏体不锈钢、体心立方结构的合金结构钢、马氏体不锈钢等材料的疲劳断口上，还可看到类似解理断裂状河流花样的疲劳沟线及由硬质点滚压形成的轮胎花样，如图5-17所示。在其他材料中，疲劳条痕并不像在高强铝合金那样清晰而具有规则性。例如：在钢中，疲劳条痕的连续情况是不规则的，有时表现出短而不连续的特征。图5-18所示为40CrNiMoA钢的疲劳辉纹，其疲劳辉纹短而不规则。在另外一些观察中，却看不到疲劳条痕，只看到一些不规则的表面特征和一些独立的韧窝。