热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征

1、热疲劳断裂的主要因素和裂纹特征断裂失效分析(4)钟培道(北京航空材料研究院，北京100095)5.3疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析的内容包括：分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别；引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。疲劳断裂 失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因，从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。5.3.1疲劳断裂的宏观分析典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区，即疲劳源区、扩展区和瞬断区，见图12。图说疲劳断口的宏观特征图12疲劳断口的宏观特征在一般情况下，通过宏观分析即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂、 断裂源区

2、的位置、裂纹的扩展方向以及载荷的类型。(1) 疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区。疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处，由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长，裂纹扩展速率较慢，经过反复张开与闭合的磨损，同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇，汇合形成辐射状台阶或条纹。因此，疲劳源区一般具有如下宏观特征：氧化或腐蚀较重，颜色较 深;断面平坦、光滑、细密，有些断口可见到闪光的小刻面；有向外辐射的放射台阶或放射状条纹；在源区虽看不到疲劳弧线，但有向外发射疲劳弧线的中心。有时疲劳源区不只一个，在存在多个源区的情况下，需要找出疲劳断裂的 主源

3、区。(2) 疲劳断裂扩展区的宏观特征该区断面较平坦，与主应力相垂直，颜色介于源区与瞬断区之间，疲劳断 裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样 )见图13。E13痕劳弧线图13疲劳弧线(3) 瞬时断裂区的宏观特征疲劳裂纹扩展至临界尺寸（即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸后发生失稳快速破断，称为瞬时断裂。断口上对应的区域简称瞬断区，其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。5.3.2疲劳断口的微观分析疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上，它是宏观分析的继续和深化。对断口进行深入的微观分析，才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。疲劳断裂的微观分析一般包括以下

4、内容 ：（1）疲劳源区的微观分析首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面，对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征，包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷（包括晶界、夹杂物和第二相粒子）等。疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数 据,是分析的重点。（2）疲劳扩展区的微观分析由于第一阶段的范围较小，尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及 断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带，疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征，对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载

5、荷的性质与大小等将起重要作用。（3）瞬断区微观特征分析主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。与图12所示的源区、扩展区及瞬断区相对应的微观形貌见图14及图9a。图14a为源区微观形貌，由图看出，断裂起源于叶片盆面一侧的表面，有多个源点，源区有类解理断裂小面（类解理断裂小面系面心立方晶系材料疲劳断裂第一阶段内的独有断裂特征）。图9a为扩展区内的典型微观形貌，其上疲劳弧线（粗者）与疲劳条带（细者）清晰,断裂扩展方向 明显。图14b为瞬断区内的典型微观形貌，其上可见大小不均的等轴韧窝，表明叶片的断裂是 在拉应力作用下造成的。论）源区

6、微观形貌 Cb）瞬断区内的麋型嘏观形貌囹14疲劳断口上特征区内的典型微观形貌5.3.3引起疲劳断裂的载荷类型分析各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的，因此，在分析疲劳断裂失效时，首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。（1）反复弯曲载荷引起的疲劳断裂构件承受弯曲载荷时，其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总是在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90° 。 单向弯曲疲劳断口。在交变单向弯曲载荷作用下，疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。 双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲载荷作用下，疲劳破坏源则从相对应的两边开始，几乎

7、是同时向内扩展。 旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小，故疲劳源区在两侧，这里的裂纹扩展速度较快，中心部位较慢，且其疲劳线比较扁平。由于在疲劳 裂纹扩展的过程中，轴还在不断的旋转，疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转。因此，最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。(2) 拉2拉载荷引起的疲劳断裂当材料承受拉2拉(拉2压)交变载荷时，其应力分布是轴的外表面远高于 中心。由于应力分布均匀，使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在零件的外表面，也可以在零件的内部，这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。扭转载荷引起的疲劳断裂轴在交变扭转应力作用下，可能产生一种特殊的扭转疲

8、劳断口，即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下，在相应各个起点上发生的裂纹，分别沿着土 45°两个侧斜方向扩展(交变张应力最大的方向)，相邻裂纹相交后形成锯齿状断口；在单向交变扭转应力的作用下，在相应各个起点上发生的裂纹只沿45。倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度，最后连接部分破断而形成棘轮状断口。对具有光滑和缺口截面的零件，在不同载荷作用下而产生的疲劳断裂，其 断口宏观形貌特征见图 15。图中的阴影部分为瞬断区，箭头所指为疲劳断裂扩展方向，弧线为 疲劳扩断区。5.3.4低周疲劳断裂的判据(1) 宏观特征 低周疲劳宏观断口除具有上述疲劳断裂宏观断口的一般 特征之外，还有如下特征： $

9、;：斜:穿力 一一,-，没4轻微的 严墩的 沮有 会，的夕耶丽谜力K中侮为耀中豚力悔中应力N中垣由工中股光堡平-_ '一 一危* ftl 尊 A囹i s光滑和缺口回截面的零件在不同载荷下的疲劳断口示意图 具有多个疲劳源，且往往是线源。源区间的放射状棱线(疲劳一次台阶) 多而且台阶的局度差大。图15光滑和 缺口圆截面的零件在不同载荷下 的疲劳断口示意图 瞬断区的 面积所占比例大，甚至远大于疲劳 裂纹稳定扩展区的面积。 疲劳弧线 间距加大，稳定扩展区的棱线(疲劳 二次台阶)粗且短。 整个断口 高低不平，随着断裂循环数(Nf)的 降低，断口形貌愈来愈接近静拉伸 断口。(2)微观特征由于宏观塑

10、性变形较大，低周疲劳断裂微观断口会有静载断裂的某些特征。在一般情况下，当疲劳寿命Nf<90次时，断口上为细小的韧窝 ，没有疲劳条带出现；当Nf > 300次时，出现轮胎花样；当 Nf>104时，才出现疲劳条带，此时的条带间距较宽，有时可达23 m,其典型疲劳条带形貌见 图16。如果使用温度超过等强温度，断口形态除上述特征外，还会出现沿晶断裂 特征。圈16保周痕若断口上疲劳条箫的典型形貌”同r仝毒"&圈1T机械疲劳、腐悦疲劳与应方腐悝的关累5.3.5腐蚀疲劳断裂分析腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷交互作用下发生的一种失效模 式。(1) 影响腐蚀疲劳断裂过程的

11、相关因素有： 环境因素，包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度(pH值)、介质中的氧含量、以及环境温度等。 力学因素，包括加载方式、平均应力、应力比、频率以及应力循环周 数。 材质冶金因素，包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构和冶 金缺陷等。(2) 机械疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀的区别，这三者的关系见图17。当R=1,且频率(f)很低时易产生应力腐蚀；当R=0，f为中等程度时，易产生腐蚀疲劳；随着f的增高， 腐蚀的作用愈来愈小，趋于纯机械疲劳。这种区分只是就疲劳裂纹的扩展阶段而言，并未考虑裂纹的萌生阶段。实际上，在腐蚀疲劳裂纹的萌生阶段，腐蚀起了极其重要的作用。(3) 腐蚀疲劳的断口特征与一

12、般疲劳断裂一样，腐蚀疲劳的断口上也有源区、扩展区和瞬断区，但在细节上，腐蚀疲劳断口有其独特的特征，主要表现在如下几方面： 断口低倍形貌呈现出较明显的疲劳弧线。 腐蚀疲劳断口的源区与疲劳扩展区一般均有腐蚀产物，通过微区成分分析,可以测定出腐蚀介质的组分及相对含量。 腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处(包括点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等)，因此，在大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征。 腐蚀疲劳断裂扩展区具有某些较明显腐蚀特征，如腐蚀坑、泥纹花样，如图9b所 腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带示。 在腐蚀疲劳断裂过程中，当腐蚀损伤占主导地位时，腐蚀疲劳断口呈现 穿晶与沿晶混合

13、型，其典型形貌见图18,其上可见脆性疲劳条带，穿晶与沿晶以及腐蚀源等形貌特征。图1E腐悦疲劳断口上的典型微观形貌图19热疲劳断口上的典型微观形貌 当Kmax>KISCC,在频率很低的情况下，腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解 理与韧窝混合特征。上述断裂特征并非在每一具体腐蚀疲劳断裂失效件上全部具备，对某一具体失效件究竟具备上述特征的哪几项，是随力学因素、环境因素和材质冶金因素而定的。5.3.6热疲劳断裂失效分析零件在没有外加载荷的情况下，由于工作温度的反复变化而导致的开裂 叫热疲劳。在热循环频率较低的情况下，热应力值有限，而且会逐渐消失，难以引起破坏。但当快速加热、冷却交变循环条件下所产生的交变热

14、应力超过材料的热疲劳极限时，就会导致零件疲劳破坏。热疲劳的特征在冷热交变循环中所产生的交变应力可能并不大，但在高温下，材料的强度降低，即使在较低的应力作用下，材料仍处于塑变状态，因此热疲劳属于应变疲劳。影响热疲劳的主要因素是冷热循环的频率和上限温度的高低。频率提高，热应力来不及平衡，使零件的应力梯度增加，材料的热疲劳寿命降低；在同样的频率下，上限温 度升高，材料塑变增加，降低了材料的热疲劳寿命；如果温度差的大小一定，上限温度降低，使得 下限温度很低（零下）,而成为连续地冷骤变，此时对材料所造成的损伤远小于热骤变。影响热疲劳性能的其它因素有材料的热膨胀系数（a ）、导热率（K）和材料抗交变应变的

15、能力（£ ）。当然，材料的热膨胀系数小、导热率高、抗交变应变的能力强时，有利于提高材料的热疲劳性能。显然，热疲劳性能与材料的室温静强度及延性无关，因损伤是在高温下产生的。（2）热疲劳断口的形貌特征对于有表面应力集中零件，热疲劳裂纹易产生于应变集中处；而对于光滑表面零件，则易产生于温度高，温差大的部位。在这些部位首先产生多条微裂纹。热疲劳裂纹 发展极不规则，呈跳跃式，忽宽忽窄，有时还会产生分枝和二次裂纹 ，裂纹多为沿晶开裂。热疲劳断口与机械疲劳断口在宏观上有相似之处，也可以分为三个区域，即裂纹起始区、扩展区和瞬时断裂区。其微观形貌为韧窝和疲劳条带，见图19。5.4提高疲劳抗力的措施及疲

16、劳断裂案例分析 5.4.1提高疲劳抗力的措施为防止疲劳断裂失效，须从优化设计、合理选材和提高零件表面抗疲劳性能等方面入手。(1) 优化设计合理的结构设计和工艺设计是提高零件疲劳抗力的关键。机械构件不可避免地存在圆角、孔、键槽及螺纹等应力集中部位，在不影响机械构件使用性能的前提下，应尽量选择最佳结构，使截面圆滑过渡，避免或降低应力集中。结构设计确定之后，所采用的加工工艺是决定零件表面状态，流线分布和残余应力等的关键因素。(2) 合理选材合理选材是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素，除尽量提高材料的冶金质量外，还应注意材料的强度、塑性和韧性的合理配合。(3) 零件表面强化工艺为了提高零件的抗疲劳性

17、能，发展了一系列的表面强化工艺，如表面感应热处理、化学处理、喷丸强化和滚压强化工艺等。实践表明，这些工艺对提高零件的抗疲劳性能效果非常明显。(4) 减少变形约束对承受热疲劳的零件，应减少变形约束，减少零件的温度梯度，尽量选用 热膨胀系数相近的材料等，提高零件的热疲劳抗力。5.4.2疲劳断裂失效案例分析(1)某汽车用悬架弹簧在使用中发生断裂失效。 该弹簧外径<100mm，内径 <60mm，呈圆螺形状，是用<11.5mm的55CrSi钢丝制成。弹簧生产工艺流程为 ：卷簧回火r 喷丸r立定处理-> 涂塑。(2)断口特征图20为钢丝断口宏观形貌，有两个高差很大的断面，呈台阶状。断面 A 平坦细密，为疲劳断裂区；断口 B倾斜粗糙，为瞬断区。疲劳断裂起始钢丝表面的机械损伤处，见图中箭头所示。机械损伤呈线状特状 ，靠近源区的断面平坦细密，有疲劳断裂特征，见图21。囹20铜姓断口低倍推貌E21钢住断口源区微观形貌DJ k晰型蛙俗韦日日帮档蛰如闵隹F刑舞锂问芸隹1；犁_以上断裂特征表明，该弹