1、目录1引言2疲劳断裂失效分析概述3疲劳失效案例分析 1 引言1-1 疲劳的定义疲劳的定义疲劳（疲劳（fatigue)这个词起源于拉丁文的这个词起源于拉丁文的 fatigre一词，一词，意思是意思是“疲倦疲倦”。人疲劳人疲劳身心劳累身心劳累材料疲劳材料疲劳在循环载荷下的损伤和破坏。在循环载荷下的损伤和破坏。定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。能变化。1 引言1-2 疲劳研究发展过程疲劳研究发展过程材料疲劳的研究可追溯到材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。世纪上半叶。W.A.J.Albert德国矿业工程师，金属疲劳的最初德国矿业工程师，
2、金属疲劳的最初研究者，研究者，1829年前后完成。研究内容：用铁制的矿年前后完成。研究内容：用铁制的矿山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。第一个金属疲劳研究第一个金属疲劳研究1842年法国玩尔赛铁路事年法国玩尔赛铁路事故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。1-3 疲劳载荷疲劳载荷规则的交变应力规则的交变应力不规则的交变应力不规则的交变应力1 引言一点应力随时间变化曲线一点应力随时间变化曲线应力循环应力循环应力比应力比平均应力平均应力maxminSSr 2maxminSSSm应力幅值应力幅值2min
3、maxSSSa对称循环对称循环 r=-1脉冲循环脉冲循环 r=0静应力静应力 r=1tSSm a xSm i nSaSmSaS-N曲线曲线一般的应力一般的应力寿命曲线寿命曲线NS- 1Sm a x1-4 疲劳极限与应力疲劳极限与应力-寿命曲线寿命曲线平均应力对平均应力对S-N曲线的影响曲线的影响对称循环下两种类型对称循环下两种类型S-N曲线曲线1-5 影响疲劳寿命的因数影响疲劳寿命的因数 应力集中的影响应力集中的影响有效应力集中因数有效应力集中因数 理论应力集中因数理论应力集中因数ntSSKmaxSn 名义应力名义应力表面加工质量的影响表面加工质量的影响表面质量因数表面质量因数11)(1磨削加
4、工（试样）磨削加工（试样）1其他加工其他加工2-1 疲劳失效分析经典案例疲劳失效分析经典案例疲劳失效典型案例疲劳失效典型案例20世纪世纪50年代世界第一架民年代世界第一架民用喷气式客机用喷气式客机“彗星号彗星号”系列事故。原因：客舱结系列事故。原因：客舱结构疲劳开裂。构疲劳开裂。2 疲劳断裂失效分析概述2 疲劳断裂失效分析概述2-2 疲劳断裂失效的特点疲劳断裂失效的特点疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见的塑性变形。的塑性变形。疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。在机电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有在机
5、电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有断裂事故的断裂事故的60%80%2 疲劳断裂失效分析概述2-3 疲劳断裂失效分析的目的疲劳断裂失效分析的目的诊断出疲劳失效的模式诊断出疲劳失效的模式找出引起疲劳断裂的确切原因找出引起疲劳断裂的确切原因采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生2 疲劳断裂失效分析概述2-4 疲劳断裂失效分析的内容疲劳断裂失效分析的内容分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂疲劳断裂的二级或三级失效模式疲劳断裂的二级或三级失效模式疲劳断裂的载荷类型与大小，疲劳断裂的起源等疲劳断裂的载荷类型与大小，
6、疲劳断裂的起源等疲劳断裂的原因疲劳断裂的原因疲劳断裂的机理疲劳断裂的机理 提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施2 疲劳断裂失效分析概述2-5 疲劳断裂失效的分类疲劳断裂失效的分类高周疲劳断裂高周疲劳断裂：又称应力疲劳断裂，是指零件在较低的交变应力作用下产生的疲劳断裂。一般将循环周次在104以上的疲劳断裂，称为高周疲劳断裂。低周疲劳断裂低周疲劳断裂：又称应变疲劳断裂，是指零件在较高的交变应力作用下产生的疲劳现象。一般将循环周次在104以下的疲劳断裂，称为低周疲劳断裂。疲劳失效的疲劳失效的“二级二级”失效模式分失效模式分类类根据频率不同 高频疲劳断裂 低频疲劳断裂根
7、据循环周次不同 高周疲劳断裂 低周疲劳断裂根据控制参量不同 应力疲劳断裂（控制应力幅） 应变疲劳断裂（控制应变幅） 疲劳断裂 根据环境介质不同 腐蚀疲劳断裂 应力腐蚀疲劳断裂 低温疲劳断裂根据温度不同 室温疲劳断裂 高温疲劳断裂（1）亚结构和显微结构发生变化，永久损伤形核；）亚结构和显微结构发生变化，永久损伤形核；（2）产生微观裂纹；）产生微观裂纹；（3）微观裂纹长大和合并，形成）微观裂纹长大和合并，形成“主导主导”裂纹；裂纹；（4）主导宏观裂纹稳定扩展；）主导宏观裂纹稳定扩展；（5）结构失去稳定性或完全断裂失效。）结构失去稳定性或完全断裂失效。2 疲劳断裂失效分析概述 2-6 疲劳断裂失效过
8、程疲劳断裂失效过程2-7 疲劳断裂影响因素疲劳断裂影响因素力学因素力学因素材料组织结构因素材料组织结构因素环境因素环境因素影响微观裂纹的形核和主导疲劳裂纹的扩展速率和影响微观裂纹的形核和主导疲劳裂纹的扩展速率和路径。路径。2 疲劳断裂失效分析概述2-8 疲劳断裂失效的特征疲劳断裂失效的特征 名义应力低于静荷载强度名义应力低于静荷载强度 构件破坏有一过程构件破坏有一过程 疲劳破坏断口疲劳破坏断口2 疲劳断裂失效分析概述2-9 疲劳断口的宏观分析疲劳断口的宏观分析典型的疲劳断口按照断裂过程的先后可分为三个特典型的疲劳断口按照断裂过程的先后可分为三个特征区，即疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区征区，即疲劳
9、源区、疲劳扩展区和瞬断区 。2 疲劳断裂失效分析概述疲劳源区一般位于零件表面或亚表面的应力集中疲劳源区一般位于零件表面或亚表面的应力集中处，也可能在表面或内部的缺陷、损伤处。当疲劳处，也可能在表面或内部的缺陷、损伤处。当疲劳源区位于零件内部时，源区一定存在有缺陷或较大源区位于零件内部时，源区一定存在有缺陷或较大的内应力、残余应力。的内应力、残余应力。疲劳源区的形成时期早，暴露于环境中的时间长，疲劳源区的形成时期早，暴露于环境中的时间长，一般均有一定的氧化或腐蚀，疲劳源区相对于断口一般均有一定的氧化或腐蚀，疲劳源区相对于断口上的其它区域，其氧化或腐蚀较重，颜色较深。上的其它区域，其氧化或腐蚀较重
10、，颜色较深。疲劳源区的断面一般平坦、光滑、细腻，有些断疲劳源区的断面一般平坦、光滑、细腻，有些断口可见到闪光的小刻面。口可见到闪光的小刻面。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳源区的宏观特征疲劳源区的宏观特征疲劳源区往往有向外辐射的放射状疲劳台阶和放射疲劳源区往往有向外辐射的放射状疲劳台阶和放射状条纹。状条纹。疲劳源区看不到疲劳弧线，但像向外发射疲劳弧线疲劳源区看不到疲劳弧线，但像向外发射疲劳弧线的中心。的中心。从断口上氧化颜色最深的区域、最平坦、光滑的区域、从断口上氧化颜色最深的区域、最平坦、光滑的区域、应力集中的表面或缺陷处找到疲劳源区，它是放射棱应力集中的表面或缺陷处找到疲劳源区，它是放射棱线
11、的汇聚点，疲劳弧线的发散中心。线的汇聚点，疲劳弧线的发散中心。疲劳源区有时只有一个，但有时也可能有多个；有时疲劳源区有时只有一个，但有时也可能有多个；有时呈点状，有时还呈线状。呈点状，有时还呈线状。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳源区的宏观特征疲劳源区的宏观特征疲劳扩展区断面一般较平坦，与主应力相垂直；疲劳扩展区断面一般较平坦，与主应力相垂直；颜色介于源区与瞬断区之间；颜色介于源区与瞬断区之间；最基本的宏观形貌特征是疲劳弧线。最基本的宏观形貌特征是疲劳弧线。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳扩展区的宏观特征疲劳扩展区的宏观特征宏观特征与静载拉伸断口相近，即由纤维区、放射区宏观特征与静载拉伸断口相近，
12、即由纤维区、放射区和剪切唇区三部分组成。和剪切唇区三部分组成。 瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质、环境介质等因素。通常瞬断区面积越大，表示载荷越大；反之，瞬断区的面积越小，表示所受载荷越小。当疲劳裂纹扩展到应力处于平面应变状态以及由平面应变过渡到平面应力状态时，其断口宏观形貌呈现人字纹或放射条纹，当裂纹扩展到使应力处于平面应力状态时，断口呈现剪切唇状态。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳瞬断区的宏观特征疲劳瞬断区的宏观特征断口宏观形貌受载荷类型、应力水平和缺口严重程断口宏观形貌受载荷类型、应力水平和缺口严重程度的影响很大。度的影响很大。对真实零件的疲劳失效断口，根据其宏观形貌特征对真实
13、零件的疲劳失效断口，根据其宏观形貌特征可定性地推断出导致零件失效的载荷类型与大小、可定性地推断出导致零件失效的载荷类型与大小、应力集中的程度；对旋转弯曲失效，还可推断出零应力集中的程度；对旋转弯曲失效，还可推断出零件失效前的转动方向等与失效相关的信息。件失效前的转动方向等与失效相关的信息。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断口的宏观分析疲劳断口的宏观分析（1）疲劳源区的微观分析）疲劳源区的微观分析确定疲劳源区的具体位置；判明主源、次源。确定疲劳源区的具体位置；判明主源、次源。分析源区的微观形貌特征，包括萌生处有无材质缺分析源区的微观形貌特征，包括萌生处有无材质缺陷、腐蚀损伤及腐蚀产物、外物损伤痕迹
14、、加工刀陷、腐蚀损伤及腐蚀产物、外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹等。痕、磨损痕迹等。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断口的微观分析疲劳断口的微观分析（2）疲劳扩展区的微观分析）疲劳扩展区的微观分析对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带，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，疲劳条带间距变化的规律等。这疲劳条带的性质，疲劳条带间距变化的规律等。这些特征对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速率、载些特征对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速率、载荷的性质等具有重要作用。荷的性质等具有重要作用。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断口的微观分析疲劳断口的微观分析疲劳条带的主要特征疲劳条带在形貌
15、上一般具有如下主要特征：疲劳条带在形貌上一般具有如下主要特征：（1 1）疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲）疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展的方向垂直；的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展的方向垂直；（2 2）疲劳条带间距随应力强度因子幅的变化而变化，）疲劳条带间距随应力强度因子幅的变化而变化，一般离源区越远，条带的间距越大；一般离源区越远，条带的间距越大；（3 3）一般源区附近条带特征不如扩展中后期的明显；）一般源区附近条带特征不如扩展中后期的明显；（4 4）匹配断口两侧的疲劳条带特征基本对应；）匹配断口两侧的疲劳条带特征基本对应；疲劳条带的主要特征
16、（5 5）局部区域的条带扩展方向与裂纹的宏观扩展方向可）局部区域的条带扩展方向与裂纹的宏观扩展方向可以相同，也可以不同，甚至可能出现相反的情况；以相同，也可以不同，甚至可能出现相反的情况；（6 6）疲劳断口通常由许多大小不等、高低不同的小断快）疲劳断口通常由许多大小不等、高低不同的小断快所组成，各断块上的条带不连续，且不平行；所组成，各断块上的条带不连续，且不平行；（7 7）每一条带代表一次应力循环；）每一条带代表一次应力循环；（8 8）条带是裂纹尖端的位置。）条带是裂纹尖端的位置。一般韧性材料容易形成疲劳条带，而脆性材料则比较困一般韧性材料容易形成疲劳条带，而脆性材料则比较困难。难。（3）瞬
17、断区的微观分析）瞬断区的微观分析瞬断区微观分析主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、瞬断区微观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，这有助于判断引起疲劳断撕裂韧窝还是剪切韧窝，这有助于判断引起疲劳断裂的载荷类型。同时，从瞬断区的微观特征还可对裂的载荷类型。同时，从瞬断区的微观特征还可对材料的韧性进行定性的判断，为分析失效的原因提材料的韧性进行定性的判断，为分析失效的原因提供参考。供参考。 2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断口的微观分析疲劳断口的微观分析首先应该在对失效件的工作情况（工况）、宏观和首先应该在对失效件的工作情况（工况）、宏观和微观断口特征分析的基础上，初步确定其属于疲劳
18、微观断口特征分析的基础上，初步确定其属于疲劳断裂。断裂。然后进一步分析判断其属于哪种类型的疲劳失效，然后进一步分析判断其属于哪种类型的疲劳失效，即进行疲劳失效的二级模式、三级模式诊断。即进行疲劳失效的二级模式、三级模式诊断。最后根据具体的疲劳失效类型，从设计、制造、材最后根据具体的疲劳失效类型，从设计、制造、材质和使用、维护等方面查找失效的原因，分析失效质和使用、维护等方面查找失效的原因，分析失效的机理，提出相应的预防措施。的机理，提出相应的预防措施。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂失效分析思路疲劳断裂失效分析思路（1）参数（工况）判据）参数（工况）判据力学参数应该具有交替变化的特点，且交变
19、的应力力学参数应该具有交替变化的特点，且交变的应力大小应该大于材料的疲劳极限。分析一个零件的失大小应该大于材料的疲劳极限。分析一个零件的失效模式是否为疲劳断裂，首先应确定其工作条件下效模式是否为疲劳断裂，首先应确定其工作条件下是否可能承受有交变应力的作用。是否可能承受有交变应力的作用。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂失效分析思路疲劳断裂失效分析思路（2）宏观变形判据）宏观变形判据疲劳断裂属于脆性断裂的一种，在断裂位置的疲劳疲劳断裂属于脆性断裂的一种，在断裂位置的疲劳源区和疲劳扩展区附近没有明显宏观塑性变形。源区和疲劳扩展区附近没有明显宏观塑性变形。 2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂失效分析
20、思路疲劳断裂失效分析思路（3）断口宏观形貌特征判据）断口宏观形貌特征判据断口齐平，存在疲劳弧线。断口齐平，存在疲劳弧线。一般的疲劳断口均与主应力轴垂直，断面齐平、细一般的疲劳断口均与主应力轴垂直，断面齐平、细腻，附近没有明显的塑性变形；断口上有疲劳弧线腻，附近没有明显的塑性变形；断口上有疲劳弧线和从疲劳源区向外发散的放射状棱线，有的源区还和从疲劳源区向外发散的放射状棱线，有的源区还有疲劳台阶。有疲劳台阶。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂失效分析思路疲劳断裂失效分析思路（4）断口微观形貌特征判据）断口微观形貌特征判据疲劳条痕：疲劳条带、二次裂纹带、韧窝带、轮胎疲劳条痕：疲劳条带、二次裂纹带、韧
21、窝带、轮胎花样等。花样等。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂失效分析思路疲劳断裂失效分析思路疲劳条带疲劳条带轮胎花样轮胎花样韧窝带韧窝带二次裂纹带二次裂纹带（5）断口颜色判据）断口颜色判据疲劳区和扩展区在氧化程度上一般都略有差异。疲劳区和扩展区在氧化程度上一般都略有差异。两者的光亮程度也有明显差异。两者的光亮程度也有明显差异。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂失效分析思路疲劳断裂失效分析思路序号序号内容内容特征特征1 1宏观特征宏观特征没有明显的宏观塑性变形没有明显的宏观塑性变形2 2应力状态应力状态交变动载荷，大于材料的疲劳极限交变动载荷，大于材料的疲劳极限3 3断口宏观形断口宏观形貌貌断口
22、齐平、光滑，具有宏观疲劳弧线和放射棱线、断口齐平、光滑，具有宏观疲劳弧线和放射棱线、有的有疲劳台阶。断口可分为源区、扩展区和瞬断有的有疲劳台阶。断口可分为源区、扩展区和瞬断区。源区一般位于零件表面应力集中处或缺陷处、区。源区一般位于零件表面应力集中处或缺陷处、内部缺陷处。内部缺陷处。4 4断口微观形断口微观形貌貌疲劳条痕特征，如疲劳条带、平行的二次裂纹带、疲劳条痕特征，如疲劳条带、平行的二次裂纹带、韧窝带、轮胎花样等。韧窝带、轮胎花样等。5 5断口颜色断口颜色疲劳区颜色相对于瞬断区较暗，氧化较重，较光亮。疲劳区颜色相对于瞬断区较暗，氧化较重，较光亮。6 6组织组织断口附近表面金相组织有明显的变
23、形层断口附近表面金相组织有明显的变形层7 7表面状态表面状态断口附近表面脆性的镀层、涂层等表面覆盖膜破裂断口附近表面脆性的镀层、涂层等表面覆盖膜破裂2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳断裂模式判据疲劳断裂模式判据（1 1）高周疲劳与低周疲劳）高周疲劳与低周疲劳宏观特征宏观特征 a.a.断口粗糙程度断口粗糙程度：与高周疲劳断口相比，低周：与高周疲劳断口相比，低周疲劳的整个断口相对粗糙，高低不平；且随着断裂疲劳的整个断口相对粗糙，高低不平；且随着断裂循环次数的降低，断口形貌愈来愈接近静拉伸断裂循环次数的降低，断口形貌愈来愈接近静拉伸断裂断口。而高周疲劳断口平整、光滑，宏观即可见明断口。而高周疲劳断口平整
24、、光滑，宏观即可见明显的疲劳区。显的疲劳区。 b.b.疲劳源区疲劳源区：低周疲劳具有多个疲劳源点，有：低周疲劳具有多个疲劳源点，有时还呈线状；源区间的放射状棱线（疲劳一次台阶）时还呈线状；源区间的放射状棱线（疲劳一次台阶）多而且台阶的高度差大。而高周疲劳一般只有一个多而且台阶的高度差大。而高周疲劳一般只有一个疲劳源点，源区结构细腻，没有疲劳台阶。疲劳源点，源区结构细腻，没有疲劳台阶。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（1 1）高周疲劳与低周疲劳）高周疲劳与低周疲劳宏观特征宏观特征 c.c.瞬断区面积：瞬断区面积：低周疲劳的瞬断区面积所占比低周疲劳的瞬断区面积所占
25、比例大，甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区面积。而高例大，甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区面积。而高周疲劳的应力相对较低，瞬断区所占面积相对较小。周疲劳的应力相对较低，瞬断区所占面积相对较小。 d.d.疲劳弧线：疲劳弧线：低周疲劳的弧线间距逐渐加大，低周疲劳的弧线间距逐渐加大，但循环次数低到一定程度时，基本见不到疲劳弧线但循环次数低到一定程度时，基本见不到疲劳弧线特征；稳定扩展区的棱线（疲劳二次台阶）粗而短。特征；稳定扩展区的棱线（疲劳二次台阶）粗而短。高周疲劳的弧线特征与具体的工况条件有关，无统高周疲劳的弧线特征与具体的工况条件有关，无统一的规律。一的规律。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊
26、断疲劳二级失效模式诊断（1 1）高周疲劳与低周疲劳）高周疲劳与低周疲劳 微观特征微观特征 低周疲劳断裂由于宏观塑性变形较大，在疲劳断裂过程低周疲劳断裂由于宏观塑性变形较大，在疲劳断裂过程中会出现静载断裂机理，在断口上出现各种静载断裂所产生中会出现静载断裂机理，在断口上出现各种静载断裂所产生的断口形态。在一般情况下，当疲劳寿命小于的断口形态。在一般情况下，当疲劳寿命小于9090次时，断口次时，断口上为细小的韧窝，没有疲劳条带出现；当疲劳寿命大于上为细小的韧窝，没有疲劳条带出现；当疲劳寿命大于300300次次时，出现轮胎花样；当疲劳寿命大于时，出现轮胎花样；当疲劳寿命大于1000010000次时，
27、才出现疲劳次时，才出现疲劳条带，此时的条带间距较宽，可达条带，此时的条带间距较宽，可达2 23 3微米微米/ /周。如果使用温周。如果使用温度超过等强温度，还会出现沿晶断裂。度超过等强温度，还会出现沿晶断裂。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（1 1）高周疲劳与低周疲劳）高周疲劳与低周疲劳 微观特征微观特征高周疲劳断口的微观疲劳特征是细密的疲劳条带，一般间距高周疲劳断口的微观疲劳特征是细密的疲劳条带，一般间距可达可达1 1微米以下。对应力为拉微米以下。对应力为拉- -压模式的疲劳断裂，在疲劳源压模式的疲劳断裂，在疲劳源区及其附近，由于两断裂面之间的反复碰磨，其断
28、裂形貌特区及其附近，由于两断裂面之间的反复碰磨，其断裂形貌特征经常被磨损而无法看到疲劳条带特征。征经常被磨损而无法看到疲劳条带特征。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（2 2）腐蚀疲劳断裂）腐蚀疲劳断裂 腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷协同、交腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式。互作用下发生的一种失效模式。 在机械装备中，因腐蚀疲劳而导致早期断裂失效在机械装备中，因腐蚀疲劳而导致早期断裂失效的事例屡见不鲜。例如：起落架、机翼大梁、刹车的事例屡见不鲜。例如：起落架、机翼大梁、刹车轮毂、涡轮盘、叶片等关键部件，均曾发生过腐蚀轮毂、
29、涡轮盘、叶片等关键部件，均曾发生过腐蚀疲劳断裂失效，有的还酿成过灾难性事故。疲劳断裂失效，有的还酿成过灾难性事故。 腐蚀疲劳对环境介质没有特定的限制。腐蚀疲劳对环境介质没有特定的限制。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（2 2）腐蚀疲劳断裂）腐蚀疲劳断裂影响腐蚀疲劳断裂过程的相关因素主要有：影响腐蚀疲劳断裂过程的相关因素主要有： a.a.环境因素环境因素：包括环境介质的成分、浓度、介质：包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度（的酸度（pHpH值）、介质中的含氧量、介质的电极电值）、介质中的含氧量、介质的电极电位以及环境温度等；位以及环境温度等； b.b.力学因素力
30、学因素：包括加载方式、平均应力、应力比、：包括加载方式、平均应力、应力比、载荷波形、频率以及应力循环周次；载荷波形、频率以及应力循环周次； c.c.材质冶金因素材质冶金因素：包括材料的成分、强度、热处：包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构、冶金缺陷、夹杂物等。理状态、组织结构、冶金缺陷、夹杂物等。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（2 2）腐蚀疲劳断裂）腐蚀疲劳断裂腐蚀疲劳断口特征：腐蚀疲劳断口特征： 具有疲劳断裂的一般特征，断口上有源区、扩展区具有疲劳断裂的一般特征，断口上有源区、扩展区和瞬断区三个特征区。腐蚀疲劳断口独特的特征：和瞬断区三个特征区。腐蚀
31、疲劳断口独特的特征： a.a.断口低倍形貌呈现出明显的疲劳弧线；断口低倍形貌呈现出明显的疲劳弧线； b.b.源区与扩展区一般均有腐蚀产物覆盖，通过微源区与扩展区一般均有腐蚀产物覆盖，通过微区成分分析，可以测定出腐蚀介质的组分及相对含区成分分析，可以测定出腐蚀介质的组分及相对含量。量。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断腐蚀疲劳断口微观形貌腐蚀疲劳断口微观形貌 断口上覆盖的腐蚀产物断口上覆盖的腐蚀产物 c. c.腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处（包括点腐蚀、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、应力腐蚀等），大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见
32、晶间腐蚀、应力腐蚀等），大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征；到腐蚀损伤特征； d.d.腐蚀疲劳断裂扩展区有某些较明显腐蚀特征，如腐蚀坑、腐蚀疲劳断裂扩展区有某些较明显腐蚀特征，如腐蚀坑、泥纹花样等；泥纹花样等； e.e.腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带；腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带； f.f.在腐蚀疲劳断裂过程中，当腐蚀损伤占主导地位时，腐蚀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型；疲劳断口呈现穿晶与沿晶混合型； g.g.当当KmaxK1scc,KmaxK1scc,在频率很低的情况下，腐蚀疲劳断口呈现在频率很低的
33、情况下，腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解理与韧窝混合特征。出穿晶解理与韧窝混合特征。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断腐蚀疲劳断裂失效的主要判据：腐蚀疲劳断裂失效的主要判据： a.a.工况判据工况判据：构件是在交变应力和腐蚀条件下工作，交变：构件是在交变应力和腐蚀条件下工作，交变应力的频率和应力比一般处在腐蚀疲劳区内，在液态、气态应力的频率和应力比一般处在腐蚀疲劳区内，在液态、气态和潮湿空气中有腐蚀性元素；和潮湿空气中有腐蚀性元素； b.b.颜色判据颜色判据：断裂表面颜色灰暗，无金属光泽，通常可见：断裂表面颜色灰暗，无金属光泽，通常可见到较明显的疲劳弧线；到较明显的疲劳
34、弧线； c.c.腐蚀产物判据腐蚀产物判据：断裂表面上或多或少存在有腐蚀产物和：断裂表面上或多或少存在有腐蚀产物和腐蚀损伤痕迹；腐蚀损伤痕迹； d.d.形貌判据形貌判据：疲劳条带多呈解理脆性特征，断裂路径一般：疲劳条带多呈解理脆性特征，断裂路径一般为穿晶，有时出现穿晶与沿晶混合型甚至沿晶型。为穿晶，有时出现穿晶与沿晶混合型甚至沿晶型。 腐蚀产物是分析、判断失效零件工作环境和工作时间的腐蚀产物是分析、判断失效零件工作环境和工作时间的重要依据。可以采用能谱仪、电子探针以及其它化学分析方重要依据。可以采用能谱仪、电子探针以及其它化学分析方法确定腐蚀产物的化学元素及量的分布规律。法确定腐蚀产物的化学元素
35、及量的分布规律。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（3 3）微动疲劳失效）微动疲劳失效 一构件与其它构件接触面间发生微动磨损的条件下受交一构件与其它构件接触面间发生微动磨损的条件下受交变载荷作用而发生的疲劳损伤过程称为微动疲劳。它是微动变载荷作用而发生的疲劳损伤过程称为微动疲劳。它是微动磨损、氧化及腐蚀、交变应力综合作用的结果。微动磨损是磨损、氧化及腐蚀、交变应力综合作用的结果。微动磨损是微动疲劳产生的根本原因。微动疲劳产生的根本原因。 微动疲劳也有裂纹的萌生和扩展过程，微动疲劳裂纹一微动疲劳也有裂纹的萌生和扩展过程，微动疲劳裂纹一般萌生于微动磨损造成的表面损伤
36、的边界处，如皿状浅坑的般萌生于微动磨损造成的表面损伤的边界处，如皿状浅坑的边缘或微动磨损深坑的边缘。微动磨损的初期可出现多个疲边缘或微动磨损深坑的边缘。微动磨损的初期可出现多个疲劳裂纹，在扩展过程中，这些微裂纹可合并为一主裂纹并垂劳裂纹，在扩展过程中，这些微裂纹可合并为一主裂纹并垂直于外加交变正应力而进一步扩展。直于外加交变正应力而进一步扩展。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（3 3）微动疲劳失效）微动疲劳失效 影响微动疲劳寿命的主要因素：影响微动疲劳寿命的主要因素： 配合表面之间的法向夹紧压应力、相对运动幅度、摩擦力、配合表面之间的法向夹紧压应力、相对运动幅
37、度、摩擦力、内应力、周围介质、相匹配面的材料等。内应力、周围介质、相匹配面的材料等。 2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断（3 3）微动疲劳失效）微动疲劳失效 微动疲劳断口特征：微动疲劳断口特征： 微动疲劳断口特征与纯机械疲劳断口相同，包括疲劳源区、微动疲劳断口特征与纯机械疲劳断口相同，包括疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区；微观上有典型的疲劳条带。疲劳扩展区和瞬断区；微观上有典型的疲劳条带。 裂纹源区和扩展区的前期，往往可以看到腐蚀产物。裂纹源区和扩展区的前期，往往可以看到腐蚀产物。 微动疲劳失效的最明显特征是在断口的侧表面，即微动磨微动疲劳失效的最明显特征是在断口的
38、侧表面，即微动磨损面上有大量的微裂纹、表面金属掉块、不均匀磨损擦伤，损面上有大量的微裂纹、表面金属掉块、不均匀磨损擦伤，色泽发生明显改变且有腐蚀坑。微动产生的微裂纹大多集中色泽发生明显改变且有腐蚀坑。微动产生的微裂纹大多集中于微动区的边缘，大多与表面呈于微动区的边缘，大多与表面呈4545度角，断口常呈杯锥状。度角，断口常呈杯锥状。微动损伤表面还常常可以看到层状及山丘状的塑性变形，同微动损伤表面还常常可以看到层状及山丘状的塑性变形，同时还可看到由于辗压形成的微裂纹。时还可看到由于辗压形成的微裂纹。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳二级失效模式诊断疲劳二级失效模式诊断导致零件疲劳失效的原因主要有四个方
39、面：导致零件疲劳失效的原因主要有四个方面：设计设计（包括应力集中、循环载荷水平、尺寸，选材（包括应力集中、循环载荷水平、尺寸，选材等），等），制造工艺制造工艺（包括表面完整性、装配等）、（包括表面完整性、装配等）、材质材质（包括化学成分、组织结构、力学性能等）（包括化学成分、组织结构、力学性能等）使用维护使用维护（包括超载、外来损伤、腐蚀等）。（包括超载、外来损伤、腐蚀等）。在查找疲劳失效的原因时，应围绕这四个方面来寻在查找疲劳失效的原因时，应围绕这四个方面来寻找证据、进行分析。找证据、进行分析。 2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析（1 1）设计原因分析）设计原因分析
40、设计原因是失效原因中最难分析的原因，需要通过较精确设计原因是失效原因中最难分析的原因，需要通过较精确的分析才能定量，而目前的分析水平还主要停留在定性程度，的分析才能定量，而目前的分析水平还主要停留在定性程度，难以对应力进行定量分析；难以对应力进行定量分析； 其次，疲劳一般都是从最薄弱的部位起始，疲劳源区往往其次，疲劳一般都是从最薄弱的部位起始，疲劳源区往往存在一定程度的材质缺陷，对准确分析出失效原因具有干扰存在一定程度的材质缺陷，对准确分析出失效原因具有干扰作用。作用。 2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析要查找设计方面的问题，首先应确定载荷的类型与大小。要查找设计方面的
41、问题，首先应确定载荷的类型与大小。a.a.反反复弯曲载荷引起的疲劳断裂复弯曲载荷引起的疲劳断裂：弯曲疲劳可分为单向弯曲：弯曲疲劳可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳、旋转弯曲疲劳等。构件承受弯曲载疲劳、双向弯曲疲劳、旋转弯曲疲劳等。构件承受弯曲载荷时，表面承受的应力最大，中心承受的应力最小。所以荷时，表面承受的应力最大，中心承受的应力最小。所以疲劳核心总是在表面形成，然后沿着最大正应力相垂直的疲劳核心总是在表面形成，然后沿着最大正应力相垂直的方向扩展。当裂纹达到临界尺寸时，构件迅速断裂，因此，方向扩展。当裂纹达到临界尺寸时，构件迅速断裂，因此，弯曲疲劳断口一般与其轴线成弯曲疲劳断口一般与其轴线成9
42、090度。度。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析b.b.拉拉拉（压）载荷引起的疲劳断裂拉（压）载荷引起的疲劳断裂: : 承受拉承受拉拉（压）拉（压）交变载荷时，应力沿整个零件的横截面均匀分布，疲劳源交变载荷时，应力沿整个零件的横截面均匀分布，疲劳源位置取决于各种缺陷在零件中的分布状态及环境因素的影位置取决于各种缺陷在零件中的分布状态及环境因素的影响，既可以在零件的外表面，也可以在零件的内部。响，既可以在零件的外表面，也可以在零件的内部。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析c. c. 扭转载荷引起的疲劳断裂扭转载荷引起的疲劳断裂: : 轴类零件在工作
43、过程中经常会承受交变扭转应力的作用，轴类零件在工作过程中经常会承受交变扭转应力的作用，从而可能产生一种特殊的扭转疲劳断口从而可能产生一种特殊的扭转疲劳断口锯齿状断口锯齿状断口。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析其次，要判断其次，要判断载荷的来源载荷的来源是否正常，是否正常，大小大小是否超出是否超出设计范围。设计范围。对转动部件，振动是无法避免的，但工作转速下的对转动部件，振动是无法避免的，但工作转速下的共振是设计时必须避免的。如果从断口判断出该零共振是设计时必须避免的。如果从断口判断出该零件承受了设计应该避免的件承受了设计应该避免的振动振动载荷，说明设计不当是载荷，说明
44、设计不当是失效的主要原因，需从设计方面进行详细的分析。失效的主要原因，需从设计方面进行详细的分析。对对重复性的故障重复性的故障，如排除了制造上的批次问题，一，如排除了制造上的批次问题，一般与设计不当有关。般与设计不当有关。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析常见的导致失效的设计原因常见的导致失效的设计原因有：有：设计载荷不准确设计载荷不准确。主要表现为载荷考虑不全（应。主要表现为载荷考虑不全（应力估算不足），载荷变动分析不够，计算假定中出力估算不足），载荷变动分析不够，计算假定中出现误差，致使实际工作载荷超过设计载荷，材料在现误差，致使实际工作载荷超过设计载荷，材料在正常
45、工况下也无法承受工作载荷而失效。正常工况下也无法承受工作载荷而失效。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析常见的导致失效的设计原因常见的导致失效的设计原因有：有：设计结构不合理设计结构不合理。主要表现为零件几何形状设计。主要表现为零件几何形状设计不当，出现剖面突变或尖角面，导致这些部位承受不当，出现剖面突变或尖角面，导致这些部位承受较大的应力集中，超过材料的强度极限，从而过早较大的应力集中，超过材料的强度极限，从而过早地萌生裂纹而失效。如过渡部位没有圆角地萌生裂纹而失效。如过渡部位没有圆角R或或R角太角太小，主要受力部位存在缺口效应等，使得零件的应小，主要受力部位存在缺口效
46、应等，使得零件的应力集中大，局部应力水平高，疲劳裂纹提前萌生。力集中大，局部应力水平高，疲劳裂纹提前萌生。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析常见的导致失效的设计原因常见的导致失效的设计原因有：有：设计选材不当设计选材不当。主要表现为选用材料的性能不能。主要表现为选用材料的性能不能满足使用要求。在实际失效分析中，设计选材不当满足使用要求。在实际失效分析中，设计选材不当导致断裂失效，经常遇到的是所选材料的主要抗力导致断裂失效，经常遇到的是所选材料的主要抗力指标与实际损伤模式不符合，致使材料的性能指标指标与实际损伤模式不符合，致使材料的性能指标在该强的方面不强，不能满足使用的
47、需求。在该强的方面不强，不能满足使用的需求。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析（2 2）材质原因分析）材质原因分析失效的材质原因直接表现为与零件失效模式对应的失效的材质原因直接表现为与零件失效模式对应的材料力学性能不符合设计要求，如与疲劳断裂失效材料力学性能不符合设计要求，如与疲劳断裂失效对应的材料疲劳强度低，与拉伸过载断裂对应的材对应的材料疲劳强度低，与拉伸过载断裂对应的材料抗拉强度低等。料抗拉强度低等。常见的常见的与疲劳失效有关的材质原因与疲劳失效有关的材质原因有：材料的化学有：材料的化学成分不合格，热处理制度或工艺不当，金相组织不成分不合格，热处理制度或工艺不当，
48、金相组织不符合要求，存在冶金缺陷。符合要求，存在冶金缺陷。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析（3 3）制造工艺原因分析）制造工艺原因分析常见的影响零件疲劳强度的制造工艺缺陷有：常见的影响零件疲劳强度的制造工艺缺陷有：铸造工艺铸造工艺过程中产生的气孔、梳松和缩孔、裂纹、夹渣、过程中产生的气孔、梳松和缩孔、裂纹、夹渣、飞边、流痕、比重偏析、共晶偏析等。飞边、流痕、比重偏析、共晶偏析等。锻造工艺锻造工艺过程中产生的裂纹、折叠、结疤、层状断口、非过程中产生的裂纹、折叠、结疤、层状断口、非金属夹杂、铝合金氧化膜、白点、粗晶环、过热、过烧、脱金属夹杂、铝合金氧化膜、白点、粗晶环、过
49、热、过烧、脱碳、增碳、加热不足引起心部开裂、晶粒不均匀、冷硬现象碳、增碳、加热不足引起心部开裂、晶粒不均匀、冷硬现象等。等。切削加工切削加工过程中产生的尺寸超差、表面粗糙度差、毛刺、过程中产生的尺寸超差、表面粗糙度差、毛刺、划伤、啃刀、表面烧伤、裂纹、刀痕等。划伤、啃刀、表面烧伤、裂纹、刀痕等。2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析（3 3）制造工艺原因分析）制造工艺原因分析冷加工冷加工工艺过程中产生的划痕、锈蚀、球化退火不足、带工艺过程中产生的划痕、锈蚀、球化退火不足、带状组织、晶粒粗大或粗细不均、性能不合格、冲模错位，裂状组织、晶粒粗大或粗细不均、性能不合格、冲模错位，
50、裂纹、压痕、端面鼓起或不平、存在挠度、曲度等。纹、压痕、端面鼓起或不平、存在挠度、曲度等。热处理热处理工艺过程中产生的过热、过烧、氧化、脱碳、机械工艺过程中产生的过热、过烧、氧化、脱碳、机械性能不合格、软点、变形与裂纹、硬度过高、过共析钢网状性能不合格、软点、变形与裂纹、硬度过高、过共析钢网状碳化物、石墨化、压共析钢魏氏组织、铁素体晶粒粗大、硬碳化物、石墨化、压共析钢魏氏组织、铁素体晶粒粗大、硬度不足、淬火不完全、表面脱碳、表面腐蚀、回火脆性等度不足、淬火不完全、表面脱碳、表面腐蚀、回火脆性等2 疲劳断裂失效分析概述 疲劳失效原因分析疲劳失效原因分析（3 3）制造工艺原因分析）制造工艺原因分析
