疲劳断口的特征和诊断方法

1.概述

（1）疲劳断裂的重要性 材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化称为疲劳，若导致材料开裂就称为疲劳断裂，有时也简称为疲劳。

疲劳研究发展的每一关键阶段几乎都与机械装备的断裂事故及其分析有关。

在工程机构和机械构件中，疲劳失效的现象极为广泛，它遍及每一个运动的零部件。绝大多数零部件承受的应力是周期变化的，如各种发动机曲轴、主轴、齿轮、弹簧以及各种滚动轴承等，这些零部件的损坏，据统计80%以上是由于疲劳断裂引起的。甚至看上去静止的零部件，只要它承受反复作用的载荷，就会导致疲劳断裂失效。

疲劳断裂时，最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限（有时远低于屈服强度），甚至低于弹性极限。材料对静载荷抗力主要取决于材料本质，而在变动载荷作用下，对形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感；加工过程也对疲劳抗力有很大的影响，材料内部宏观、微观的不均匀性对材料抗疲劳损伤性能的影响也远比在静载荷下大。很大一部分零部件承受弯曲扭转应力，这种情况下应力分布都是表面应力最大，而表面情况，如缺口、刀痕、表面粗糙度、氧化、腐蚀、脱碳等都对疲劳抗力有极大的影响，增加了疲劳断裂的机会。

构件疲劳断裂是由交变应力引起的一种缓慢断裂过程。一般将它分为三个阶段，即裂纹萌生、裂纹扩展和最后断裂。裂纹萌生包括疲劳硬化或软化、不均匀变形、形成驻留滑移带和显微裂纹。裂纹扩展一般分为两个阶段：早期沿滑移面与应力轴约呈45°方向的扩展为第Ⅰ阶段，随后沿垂直于应力轴方向的扩展为第Ⅱ阶段。

疲劳断裂失效在断裂前没有明显的宏观塑性变形，断裂没有先兆，往往造成灾难性的后果，引起巨大的经济损失和社会危害。另外，疲劳是一个包含许多学科的研究分支，它可以为基础研究和应用研究提供大量的多种多样的现象。因此，研究疲劳断裂，寻找提高材料疲劳抗力的途径和预防疲劳断裂的各种措施以防止疲劳断裂事故的发生，对于国民经济和科学技术都有重大意义。

（2）疲劳断裂的分类 根据构件在服役过程中环境条件、载荷状态（类型、大小、频率、幅度等）等的不同，可将疲劳断裂分类，见表4-9。

热疲劳是由于温度的循环变化而引起应变的循环变化，并由此产生的疲劳断裂失效。产生热疲劳的两个必要条件是温度循环变化和机械约束。温度变化，使材料膨胀，但由于受到约束而产生热应力。

机械疲劳是指构件在交变机械应力（交变应力由机械力引起）作用下而引起的断裂失效。机械疲劳根据应力应变的大小又分为应变疲劳和应力疲劳；应变疲劳一般指材料所受交变应力较高（接近屈服强度），而应力疲劳指材料承受的交变应力较低（远低于屈服强度）。根据材料断裂失效前所经历的循环次数，机械疲劳可分为高周疲劳（断裂前的循环次数大于10⁵）和低周疲劳（断裂前的循环次数一般小于10⁴）。根据载荷的幅度和频率变化，机械疲劳可分为常幅、变幅和随机疲劳；常幅疲劳指交变应力的幅度和频率都是固定不变的；变幅疲劳指交变应力的幅度变化而频率不变；随机疲劳则是幅度和频率都在变化。根据载荷的类型，机械疲劳又可分为弯曲疲劳（单向、双向）、扭转疲劳（单向、双向）、拉-拉疲劳或拉-压疲劳、接触疲劳、振动疲劳（颤振、共振）和复合载荷下的疲劳等。根据载荷频率的高低，机械疲劳还可分为高频疲劳和低频疲劳。

表4-9 疲劳断裂分类

环境作用下的疲劳是指在交变应力和环境联合作用下而产生的疲劳断裂失效。包括腐蚀疲劳、高温疲劳和微振疲劳等。

所有的疲劳断裂都可按循环周次的高低而纳入高周和低周两类疲劳范畴之内。

2.疲劳断裂的影响因素

疲劳断裂是一个十分复杂的过程，受多种内在、外在因素的影响。一般来讲，这些影响因素有些影响疲劳裂纹的萌生，有些影响疲劳裂纹的近门槛区扩展，有些影响疲劳裂纹的第二阶段扩展，有些对疲劳断裂全过程或其中几个阶段有着显著的影响。主要的影响因素包括材料的表面状态、微观组织结构、疲劳载荷和外部环境等。

（1）表面状态的影响 材料的表面对于疲劳裂纹的萌生有着十分重要的影响。对于金属构件，绝大部分的疲劳断裂均起源于表面，因此构件表面的完整性对它的疲劳性能有着决定性的影响。降低表面粗糙度值、表面强化、改善表面的组织结构和残余应力状态都能够提高构件的疲劳性能。目前工业上广泛采用的加工工艺有表面化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、表面淬火、表面形变强化（喷丸、滚压等）、表面抛光、表面激光处理、表面复合强化等。

（2）微观组织结构的影响 材料的微观组织结构对疲劳断裂的每个阶段都有影响，但对疲劳裂纹的萌生和近门槛区扩展影响更为显著，对其他阶段的影响较小。

（3）疲劳载荷的影响 疲劳载荷是疲劳断裂的外在必要条件，载荷类型、载荷谱中的各种参数对疲劳都有直接影响。

（4）外部环境的影响 外部环境包括很多因素，其中两个最重要的因素是环境介质和温度。

3.疲劳断口的宏观特征

典型的疲劳断口由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速断裂区（又称为瞬时断裂区）三部分组成。

疲劳源区是疲劳裂纹萌生的区域，一般用宏观观察就可以确定其位置。疲劳源区一般在试样或构件的表面或次表面，如果材料内部有严重的不连续性缺陷，疲劳源也可能在材料内部。疲劳源区是最早生成的断口，而且该区裂纹扩展速率缓慢，裂纹反复张开闭合引起匹配断口表面的摩擦，因此一般比较平整光滑。当作用在构件上的交变载荷较低或疲劳在平滑的表面上萌生时，一般只有一个疲劳源；当交变载荷较高或在应力集中部位萌生裂纹时，往往出现多个疲劳源，低周疲劳的断口上经常有多个疲劳源区。多个疲劳源可能不在一个平面上，扩展连接会形成台阶，因而断口表面比较粗糙。一般来讲，疲劳源的数目越多，说明交变载荷越大，应力集中位置越多或应力集中系数越大。

疲劳弧线是金属疲劳断口最基本的宏观形貌特征，它是在疲劳裂纹稳定扩展阶段形成的与裂纹扩展方向垂直的弧形线，是疲劳裂纹瞬时前沿线的宏观塑性变形痕迹。用肉眼观察，看起来很像贝壳或海滩，因此又称为贝壳花样或海滩花样。研究认为，疲劳弧线是由于循环载荷的变化或由于材料中的组织不均匀（不连续）、应力松弛、临近裂纹等的影响下发生应力再分配，使得裂纹尖端前沿区域局部地区出现应力大小或（和）应力状态的改变，应力的改变使疲劳裂纹扩展的速度或（和）方向发生变化而在断口上留下塑性变形痕迹；环境介质对裂纹前沿氧化或腐蚀的差异是产生疲劳弧线的重要原因。

疲劳弧线的形状受材料的缺口敏感性、疲劳断裂源数量等因素的影响。没有应力集中的疲劳断口上的疲劳弧线多呈凸形，即弧线从源点向扩展方向凸起；缺口的存在会使疲劳裂纹沿外缘表面的扩展速率大于疲劳裂纹向内部的扩展速率，使弧线呈凹形。多源会使疲劳弧线由凸向凹转变。

虽然疲劳弧线是疲劳断口的宏观基本特征和判断其为疲劳断口的主要依据，但并不是所有的疲劳断口上都会有疲劳弧线出现。在实验室试样的疲劳断口上就很少出现疲劳弧线，这主要是因为在实验室一般为短时均匀加载。即使在服役的构件上也不是每个疲劳断口上都有清晰可见的疲劳弧线，当外载荷变化不大、材质均匀等情况下，疲劳弧线就可能很少或几乎没有。另一方面，并非所有的贝壳花样都是疲劳断口的形貌特征，应力腐蚀和腐蚀疲劳的断口上有时也会出现这种贝壳花样。

疲劳裂纹不断地改变着局部扩展方向，会在断口上形成二次台阶（与疲劳源区的台阶相区分）。有些疲劳台阶与疲劳弧线垂直，呈辐射状。

当疲劳裂纹达到临界尺寸时，试样或构件会发生瞬时断裂，该区域的断口宏观形貌与静载断裂的断口形貌基本一致。韧性材料瞬断区断口一般为剪切斜断口，断口表面为暗灰粗糙的纤维状；脆性材料瞬断区断口一般为平断口，断口表面呈结晶状或放射状。

一般来说，疲劳断口没有明显的塑性变形，属于脆性断口。

4.疲劳断口的微观特征

（1）疲劳源区的微观形貌特征 这里所说的疲劳源区，包括疲劳裂纹稳定扩展的第Ⅰ阶段。根据疲劳裂纹萌生机制和微裂纹扩展机制的不同，疲劳源区的微观形貌也有显著的差异。该区域的微观形貌极其复杂，可能出现的微观形貌特征有：摩擦痕迹、滑移线、类解理形貌（如河流、羽毛、舌头等）、早期疲劳条带、沿晶、混合形貌等断口特征。

（2）疲劳裂纹稳定扩展第Ⅱ阶段的微观形貌特征 疲劳条带是疲劳裂纹稳定扩展第Ⅱ阶段的典型微观形貌特征，是判断疲劳断裂的基本依据。只要在断口上发现了疲劳条带，就可判定此断口为疲劳断口；但是如果断口上没有疲劳条带特征，也不能判定该断口为非疲劳断口，因为在一些材料的疲劳断口上或某些情况下疲劳微观形貌特征不是以疲劳条带的形式出现的。

1）疲劳条带的特征。疲劳条带是一系列基本上相互平行的条纹，条带方向与局部裂纹扩展方向垂直并且条带沿着局部裂纹扩展方向向外凸。

由于材料内部显微组织（晶粒取向、晶界和第二相质点等）的差异，裂纹扩展可能会由一个平面转移至另一个平面，因此不同区域的疲劳条带有时分布在高度不同、方向有别的平面上。

在理想情况下，每一条疲劳条带代表着一次相对应的循环载荷，即疲劳条带的数目应该与载荷循环数相等。但是由于裂纹闭合效应等因素的影响，循环载荷数远大于微观可见的疲劳条带数目。

疲劳条带的间距有规律的变化。一般随应力强度因子范围的增大而增大，随着裂纹扩展长度的增加而增大。

2）疲劳条带的形貌。虽然一般疲劳断口上的疲劳条带都具有以上四个基本特征，但不同断口上的疲劳条带的形貌又有很大的差别。总的来说，疲劳条带可分为塑性疲劳条带和脆性疲劳条带。塑性疲劳条带更为光滑，间距也更为规则；脆性疲劳条带参差不齐、不规则，断口常显示晶体学平面以及类似解理河流花样的扇形脊线。图4-25为塑性疲劳条带和脆性疲劳条带示意图。

在实际疲劳断口中，大多数都是塑性疲劳条带，而脆性疲劳条带却很少出现。通常认为脆性疲劳条带的形成是受裂纹前沿环境作用的结果，当裂纹扩展速率足够慢、环境可以与扩展着的裂纹尖端发生交互作用时，一般可出现脆性疲劳条带。

需要注意的是，断口上与疲劳条带相似的条纹状微观形貌是很常见的，如规则的摩擦痕迹、滑移线、周期腐蚀（氧化）痕迹、显微组织（珠光体、α相）形貌等。实际分析中应根据各种因素（如放大倍率、条纹特征、环境因素等）来加以辨别，以免与疲劳条带混淆，导致错误的推论。

图4-25 塑性疲劳条带和脆性疲劳条带示意图

a）塑性疲劳条带 b）脆性疲劳条带

例如，60Si2CrVAT旋弯疲劳条带如图4-26所示，受高温气体影响发生氧化的疲劳条带如图4-27所示。

图4-26 60Si2CrVAT旋弯疲劳条带

图4-27 受高温气体影响发生氧化的疲劳条带

3）疲劳条带的影响因素。如前所述，并不是在所有的疲劳断口上都能观察到疲劳条带，更不是在疲劳断口的任何一部分都能观察到疲劳条带，而且不同疲劳断口以及同一疲劳断口的不同部位的疲劳条带的形态也有差别。这是因为有很多因素影响着疲劳条带的形成及其形貌。

①材料性质的影响。通过对疲劳断口上显示疲劳条带的材料的研究统计认为：一般情况下，材料的静抗拉强度越高，越不容易出现疲劳条带；韧性较高的材料容易生成疲劳条带。如高强度钢或超高强度钢的疲劳断口上甚至完全不出现疲劳条带，在高应力幅时更是如此。

晶体结构对疲劳条带的影响表现为：面心立方结构的材料中易出现疲劳条带，如铝及其合金、铜及其合金、奥氏体不锈钢及耐热钢等具有面心立方结构的金属或合金的疲劳断口上一般都会出现疲劳条带。另外，面心立方结构材料的疲劳条带通常比体心立方结构材料的疲劳条带清晰连续。

材料的显微组织如晶界、晶粒取向及夹杂、第二相颗粒等对疲劳条带的具体形貌也有着重要的影响。一般疲劳裂纹扩展至作为强化相的晶界时会受到阻碍，导致疲劳条带的间距、曲率等发生变化，有时甚至中断；但当疲劳裂纹遇到孪晶界时，一般会转入孪晶继续扩展，疲劳条带几乎没有什么变化。晶粒取向的变化会导致疲劳条带的法线方向发生变化，有时还会引起疲劳条带形貌的改变。此外，在极少的情况下，疲劳裂纹会沿晶界扩展，在晶界上出现疲劳条带。

材料中的杂质及第二相颗粒对疲劳条带的影响并不是很大。小颗粒对疲劳条带几乎没有影响；当裂纹遇到大颗粒并绕过其扩展时，颗粒会对裂纹有阻碍作用；然而，当裂纹遇到大颗粒并把其劈开时，往往会加速局部的裂纹扩展速度。

②载荷的影响。裂纹尖端的应力状态和应力幅的大小对疲劳条带的形成和性质都有很大的影响。有人认为疲劳条带存在的必要条件是疲劳裂纹尖端处于张开型的平面应变状态，因此只有当疲劳断口与张应力垂直时才可能生成疲劳条带。

应力强度因子范围的改变能够显著地改变疲劳条带的宽度和间距。一般来讲，载荷的频率越高、应力幅越低，疲劳条带越细，间距越小；裂纹逐渐扩展，剩下承受载荷的构件面积减少，致使应力增加而影响疲劳条带的宽度和间距。

③环境介质的影响。疲劳断裂过程对环境介质是十分敏感的。由于疲劳是一个滑移过程，因此任何影响滑移的环境介质都会影响疲劳裂纹扩展速率和断口上的疲劳条带特征。通常，促进滑移或阻碍滑移反转的因素使疲劳裂纹扩展速率加快、疲劳条带间距增加；阻碍滑移或促进滑移反转的因素使疲劳裂纹扩展速率降低、疲劳条带间距减小，在极端情况下甚至导致疲劳条带的完全消失。

4）二次裂纹。在疲劳断口上还经常看到与疲劳条带一起存在的二次裂纹，二次裂纹平行于疲劳条带，与疲劳裂纹扩展方向垂直。

5）轮胎压痕。在疲劳断口上（尤其是高应力疲劳断口），还经常见到轮胎压痕——因类似于轮胎在泥地上留下的痕迹而得名。(www.xing528.com)

轮胎压痕是在疲劳循环的闭合过程中一个断口表面上的颗粒或凸起撞击匹配断口表面所留下的痕迹。轮胎压痕排列规则；一般情况下，拉-压疲劳断口比拉-拉疲劳断口更容易产生轮胎压痕。轮胎压痕虽然不是疲劳断裂的基本形貌，但却是疲劳断裂的一种表征。如果疲劳断口上没有疲劳条带而出现轮胎压痕，可以初步判定为低循环（高应力）疲劳断裂。

（3）最终断裂区的微观形貌特征 疲劳裂纹高速扩展区的断口一般为混合断口。在从第Ⅱ阶段裂纹扩展区刚刚转入高速扩展区的断口上通常会有少量的疲劳条带，但是断口的微观形貌主要表现为静载瞬时特征，较多的情况为韧窝（包括等轴韧窝和拉长韧窝），有时也可能出现准解理、解理和沿晶等形貌，具体的形貌与材料性质、载荷类型、环境条件等有关。

综上所述，在疲劳裂纹扩展的不同阶段，疲劳断口的微观形貌特征有着显著的差异。在疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段，断口包含许多结晶学小平面；在疲劳裂纹扩展的第Ⅱ阶段，断口上有典型的疲劳条带，且随着应力强度因子范围的增加，疲劳条带间距增大；当应力强度因子范围足够大时，断口上出现韧窝形貌。

5.疲劳断裂的诊断

（1）疲劳断裂模式的诊断 分为一级诊断和二级诊断。

1）一级诊断。疲劳断裂诊断的基本前提是首先要确认其断口为疲劳断口。宏观断口上有疲劳弧线和（或）疲劳台阶（又称为疲劳沟线），或者微观断口上有疲劳条带，就可以判定此断口为疲劳断口，宏观疲劳特征和微观疲劳特征两者居一即可。

在不同的条件下和情况下，宏观的疲劳弧线和微观的疲劳条带的清晰程度不同。在下述情况下，因为微观的疲劳条带特征不明显，因此最好用宏观疲劳弧线（贝壳花样）作为疲劳断裂模式的诊断依据：超高强度钢，甚至高强度钢，或高强度铝合金；低周疲劳或疲劳断裂的扩展速率很大时（如大于该合金在正常静载条件下断裂的微观韧窝尺寸时），条带变为成排的韧窝带；腐蚀性较强条件下的腐蚀疲劳断裂，微观疲劳条带被微观的腐蚀特征所掩盖，但宏观的疲劳弧线比较明显；铸造合金疲劳断裂时的疲劳条带有时被该合金的铸造显微组织特征所掩盖；疲劳源区的疲劳断裂微观特征——疲劳条带由于疲劳裂纹扩展速率很小，加上疲劳匹配面的相对接触多次造成磨损，疲劳条带特征被模糊了，不易识别，有时还可能被源区的滑移线所干涉；片状珠光体钢的疲劳断裂的微观特征有可能被珠光体片的形态所干扰，不易区分识别。

此外，虽然宏观的疲劳弧线和疲劳台阶都是疲劳断裂的宏观特征形貌，前者是疲劳裂纹瞬时前沿线上的宏观塑性变形痕迹，后者则是两个不同高度的疲劳裂纹分别扩展时前沿线相交留下的宏观塑性变形痕迹，但是由于疲劳台阶有时容易与脆性断口上的放射线相混淆，因此建议在一般情况下，疲劳断口的诊断应以宏观的疲劳弧线为主要依据，只有在十分特殊的情况下，如断口被腐蚀或磨损而无法在断口上找到宏观的疲劳弧线和微观的疲劳条带时，可以根据疲劳台阶作为疲劳断裂的必要依据。但是疲劳台阶不能作为充分的判据，要真正诊断为疲劳断口，还应辅以其他方面的综合分析。

另外，只有在高应力低周疲劳时或在某些特殊的合金或条件下才产生的轮胎花样形貌也只能作为辅助依据。

断口上经常有一些弧状线条，如前面提到过的应力腐蚀海滩标记、滑移线、珠光体组织、腐蚀痕迹等，与作为疲劳断口诊断充分条件的宏观疲劳弧线和微观疲劳条带相混淆。这就要求人们在对断口进行诊断时要仔细甄别，综合各方面的条件进行分析判断。疲劳断裂模式的判据见表4-10。

需要指出的是，在实际疲劳断裂失效中，具备以上所有疲劳断裂特征的断裂件很少见。一般具备以上特征中的应力状态特征、断口宏观形貌特征和微观形貌特征三者之一者，即可诊断其为疲劳断裂失效。

表4-10 疲劳断裂模式的判据

2）二级诊断。在一级疲劳断裂的基础上，按应力来源可以有机械疲劳和热疲劳等二级疲劳断裂模式；按频率高低可以有高频疲劳、低频疲劳和混频疲劳等二级疲劳断裂模式；按应力大小可以有高周疲劳（低应力）、低周疲劳（高应力）和高低周复合疲劳等二级疲劳断裂模式；按环境介质可以有一般疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、微振疲劳等二级疲劳断裂模式；按宏观疲劳裂纹走向与主应力的关系可以有正断型疲劳（如疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段）、剪切型疲劳（如疲劳裂纹扩展的第Ⅱ阶段）等二级疲劳断裂模式；按微观疲劳裂纹走向与显微组织的关系可以有穿晶疲劳、沿晶疲劳等二级疲劳断裂模式。

疲劳断口的二级诊断就是在确认为疲劳的基础上，判定疲劳的二级模式。机械疲劳断裂与热疲劳断裂之间的差别主要是前者的交变（或循环）应力来源于机械载荷，而后者因温度交变引起疲劳破坏。当然这两者疲劳断裂的断口形貌上也有差别，热疲劳断口一般为多源，表面严重氧化，有时沿晶，疲劳条带间隔大，并带有大量的沿条带分布的或沿晶分布的二次疲劳裂纹和较多的与疲劳条带基本垂直的二次台阶。

低周疲劳与高周疲劳相比较，通常具有如下宏观特征：一般具有多个疲劳源点，且往往呈线状，疲劳源之间的放射状棱线多而且台阶的高度差大；最终断裂区的面积所占比例大，甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区面积；疲劳弧线间距加大，扩展区的疲劳台阶（疲劳沟线）粗且短；整个断口高低不平，有时接近于静载拉伸断裂的断口。微观断口上会出现各种静载断裂所产生的断口形貌，如韧窝、沿晶等形貌。一般情况下，当疲劳断裂循环数很低时，断口上为细小的韧窝形貌，没有疲劳条带出现；当疲劳断裂循环数达到一定值时，断口上会出现轮胎花样；只有当疲劳断裂循环数达到相当值时，才会出现高周疲劳中常见的疲劳条带，不过此时的条带的间距较宽。

腐蚀疲劳与一般疲劳（室温空气中的疲劳）相比较，最主要的差别是在腐蚀疲劳的宏观和微观断口上都有腐蚀产物或痕迹。另外，腐蚀疲劳的条带多呈现脆性特征。当然，最重要的诊断依据应该是腐蚀参量，各种具体的腐蚀疲劳断裂模式更是要找到具体的、特有的腐蚀参量才行。

高温疲劳与一般疲劳的区别在于前者发生在高温下，后者发生在室温下。在高温下裂纹尖端材料氧化（腐蚀）加剧，更为重要的是高温会使材料呈现蠕变特性，这些都会使高温疲劳断口呈现更为复杂的特征。一般来讲，在空气中的高温疲劳断口表面有氧化物及其色彩带，这种色彩带有时与疲劳弧线相重叠，有时则不重叠，但色彩带的形状与疲劳弧线相似；色彩带的颜色随温度的改变而变化。微观上疲劳条带变得不规则且间距增大，二次裂纹较多，当疲劳断裂时的温度超过蠕变温度时断口上还可能会出现蠕变特征。除了要寻找断口在高温下的氧化（或腐蚀）痕迹之外，确定其温度环境参数也是非常必要的。

至于一般的腐蚀疲劳断裂与应力腐蚀疲劳断裂之间在断口上很难找到差别，而主要是要分析引起疲劳断裂的腐蚀介质与材料之间是否有应力腐蚀的匹配关系。一般腐蚀疲劳断裂模式的腐蚀介质与材料之间没有如应力腐蚀那样的匹配关系，而应力腐蚀疲劳断裂的腐蚀介质与材料有应力腐蚀的匹配关系。这就是说，区分两者的主要依据是腐蚀介质的参数分析和确认。

微振疲劳是指某一构件与其他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，它是微动磨损、氧化腐蚀、交变应力三者综合作用的过程。微振疲劳一般起源于腐蚀坑，宏观断口形貌也分为三个明显区域，微观上也有疲劳条带，但与纯机械疲劳相比，其最为明显的特征是在源区和扩展初期的断口上有腐蚀产物，在断口的侧表面（即微动磨损面）上有大量的微裂纹、表面金属掉块、不均匀磨损擦伤等痕迹。

（2）疲劳断裂原因的诊断

1）疲劳源位置以及疲劳裂纹宏观走向的确定。确定疲劳源的位置及疲劳裂纹宏观走向对于疲劳断裂原因的诊断是十分重要的，因为它们蕴含着疲劳裂纹萌生及扩展的重要信息。分析疲劳裂纹源的宏观位置和裂纹宏观走向，特别是其与构件几何形状和尺寸、锻造流线以及应力状态等之间的关系，往往能够找出疲劳断裂的原因。

例如：如果疲劳裂纹起始于或沿着构件几何缺口，那么一般属于缺口疲劳或因缺口的应力集中引起的疲劳，或因材料具有疲劳缺口的敏感性导致的疲劳；如果疲劳裂纹起始于次表面的“鱼眼”，一般不是属于接触疲劳断裂，就是表面强化构件的疲劳断裂，而区分这两种疲劳断裂一般是很困难的，不过有时接触疲劳源有一沿切应力的剪切平面，而表面强化构件“鱼眼”断口上则往往没有沿切应力方向的小平面，这可为区分它们提供一种思路；如果疲劳裂纹位于构件的最小截面处，那么它常是由于材料的疲劳强度不够或材料承受的交变应力过大或是由于热处理工艺不当，使得疲劳强度没有达到要求的指标的缘故；如果疲劳裂纹位于构件的共振节线附近（这种共振节线可以是弯曲共振节线、扭转共振节线或弯扭复合共振节线），那么这种疲劳断裂很可能属于共振疲劳断裂，在一般情况下，它们的疲劳断口还具有大应力疲劳特征；如果整个疲劳裂纹都是沿着锻造流线方向的，那么它将与沿流线分布的夹杂物有关，即与材质有关；如果疲劳裂纹是沿着切应力方向扩展的，那么这种疲劳主要是由于切应力作用下形成和扩展的。

疲劳源微观特征的分析在疲劳断口形成原因的诊断中也起着十分重要的作用。

例如：低熔点金属引起的疲劳断裂其源区断口表面上有低熔点金属痕迹，并且随着疲劳裂纹深度的加大，其含量不断减少；夹杂物引起的疲劳断裂则应在疲劳源区存在着夹杂物；腐蚀疲劳断裂在源区应残留有腐蚀产物；微振疲劳断裂不仅疲劳裂纹起始于腐蚀坑，而且在断口上存在着氧化物，氧元素的浓度或含量随着裂纹深度的增加而不断减弱；热疲劳、大应力疲劳等往往具有多源。

疲劳源的位置主要是根据断口表面的光泽、表面粗糙度、疲劳台阶（一次台阶）和线痕的方向以及疲劳弧线的弧度方向和疲劳沟线（二次台阶）的方向等来确定。

由于疲劳源区最早形成，且裂纹扩展速率慢，两个匹配断口不断摩擦使得源区的光泽较亮、表面粗糙度值比较小，因此断口表面的光泽、表面粗糙度可以作为确定疲劳源的参考。

由于宏观的疲劳源是由许多细小的疲劳裂纹萌生汇合而成的，微裂纹汇合的结果在断口上会形成许多台阶和线痕，一般情况下，点状疲劳源具有辐射状的台阶，而线状疲劳源处的台阶沿线分布。

在同一个断口表面上，若同时存在有几个点状疲劳源，应根据疲劳弧线的疏密程度、疲劳源区的光泽度和次生台阶情况来确定疲劳源的起始次序。由于最初疲劳源区相对其他疲劳源区所受的应力小、裂纹扩展速率慢、经历交变载荷作用的时间长（摩擦次数多）等，因此一般没有台阶，疲劳弧线密度大，且密度越大起源的时间越早，经历疲劳摩擦时间越长，断口表面一般更光亮。

判断疲劳源最常用的特征还是疲劳弧线及疲劳沟线（二次疲劳台阶）。点状疲劳源的疲劳弧线大致以源点为核心向外扩展，形成许多同心圆周或同心弧线，因此同心圆的几何圆心或同心弧线的内侧方向即为疲劳源的位置。当存在一系列分散的疲劳萌生位置时，则其起始疲劳弧线按包络线的原则分布，这时疲劳源在包络线的内侧方向。当在一个断口上同时有几个疲劳源时，应按疲劳弧线的密度来确定疲劳源生成的次序，一般疲劳弧线密度越大，起源得越早。这里需要指出的是：由于疲劳弧线并不总是凸的，因此应该根据多方面的信息和数据来判断疲劳源的位置，如最终断裂区的对面为源区，较为平整的区域为源区等。疲劳断口上往往有从源区发散的棱线——疲劳沟线，因此疲劳沟线的收敛处即为疲劳源位置。

由于疲劳裂纹总是沿着疲劳弧线的法线方向及疲劳沟线方向扩展，因此可以根据断口上的疲劳弧线和疲劳沟线的分布、形状和密度来判断疲劳裂纹的走向。

另外，微观疲劳条带可以作为局部疲劳裂纹扩展方向的判断依据——疲劳条带的外法线方向即为该微区疲劳裂纹的扩展方向。但是由于微观的疲劳裂纹扩展方向与宏观的疲劳裂纹扩展方向并不总是一致的，因此不能根据微观疲劳条带来判断疲劳裂纹的宏观扩展方向。

2）载荷性质的判断。由疲劳断口的宏观、微观形貌来反推疲劳载荷的类型和大小对于疲劳断裂失效分析、抗疲劳设计等都是十分重要的。

必须先了解各种载荷类型、大小及应力集中程度对疲劳断口形貌的影响，常见的疲劳载荷类型有拉-拉（拉-压）、弯曲（单向弯曲、双向弯曲、旋转弯曲）、扭转（单向扭转和双向扭转）及复合载荷。光滑和缺口圆截面试样在各种载荷下产生的宏观疲劳断口形貌示意图，如图4-28所示；正方形、矩形截面试样在各种载荷下产生的宏观疲劳断口形貌示意图，如图4-29所示。两图表示了载荷类型、载荷大小、应力集中程度及试样形状对宏观疲劳断口形貌的影响（当然，当材料、试验条件或服役条件不同时，都会出现不同于图中的断口形貌，因此只能作为参考）。下面分别加以说明。

图4-28 光滑和缺口圆截面试样在各种载荷下产生的宏观疲劳断口形貌示意图

图4-29 正方形、矩形截面试样在各种载荷下产生的宏观疲劳断口形貌示意图

①拉-拉（拉-压）疲劳断口。当材料承受拉-拉（拉-压）交变载荷时，其应力沿整个构件的横截面均匀分布。正是由于应力的均匀分布，使得疲劳源的萌生位置变化较大。无论有没有缺口，疲劳裂纹大多在表面萌生，但如果材料内部存在较大的缺陷，疲劳裂纹也可以在缺陷处萌生。

无应力集中圆试样的高应力拉-拉（拉-压）疲劳裂纹一般在外表面萌生，并且从裂纹源向四周扩展速度基本相同。如果圆试样存在缺口，由于缺口根部有应力集中，因此靠近表面的裂纹扩展较快，结果形成波浪形的疲劳弧线。一般来讲，应力集中越严重，疲劳源的数目就越多。高应力导致疲劳稳定扩展区较小，而最终断裂区所占比例较大。圆试样低应力拉-拉（拉-压）疲劳断口与高应力拉-拉（拉-压）疲劳断口相比，疲劳扩展区所占比例明显增大，相应的最终断裂区所占比例减小。

无应力集中板状试样承受拉-拉（拉-压）疲劳载荷时，疲劳裂纹一般在棱角处萌生，向内部均匀扩展。如果板四周有缺口，裂纹则在缺口根部萌生向中央扩展；如果内部存在较大缺陷或缺口，裂纹则在内部萌生向外扩展。板状试样的高应力拉-拉（拉-压）疲劳断口和低应力拉-拉（拉-压）疲劳断口宏观形貌相似，不同的是低应力疲劳断口的疲劳扩展区面积较大。

②弯曲疲劳断口。构件承受弯曲疲劳载荷时，表面处应力最大，中心最小，因此裂纹通常在表面处萌生，然后沿着与最大正应力垂直的方向扩展。因而，弯曲疲劳断口一般与其轴线呈90°。弯曲疲劳断口又可分为单向弯曲疲劳断口、双向弯曲疲劳断口和旋转弯曲疲劳断口。

a.单向弯曲疲劳断口。当构件承受交变单向弯曲载荷时，疲劳裂纹从弯曲张应力一侧萌生，向另一侧扩展，最终断裂区在疲劳源的对侧。如果轴上没有应力集中，裂纹从裂纹源向四周扩展的速率基本相同；如果轴上存在应力集中（如台阶或缺口等），一般情况下最终断裂区所占的比例也比无应力集中时大一些。

b.双向弯曲疲劳断口。在交变双向弯曲应力的作用下，疲劳源从相对应的两侧萌生向内部扩展，最终断裂区在构件的内部；如果弯曲应力是对称的，疲劳裂纹就以相同的速率和方式向内部扩展。如果存在尖缺口或轴截面突然发生变化的尖角，由于应力集中的作用，疲劳裂纹在缺口分布发展较快，甚至导致疲劳弧线变为凹形。

c.旋转弯曲疲劳断口。承受交变旋转弯曲载荷的构件，如果只有一个疲劳裂纹源，那么它的宏观断口形貌示意图如图4-28所示。由于外表面的应力比中心大，因此疲劳裂纹在两侧扩展速率较快，中心较慢，形成比较扁平的贝壳花样。它的最终断裂区在疲劳源的对侧，但是由于在裂纹扩展过程中轴在不断地旋转，疲劳裂纹的前沿会向旋转的相反方向偏转，因此最终断裂区向旋转的相反方向偏转一个角度。这种偏转趋势随着材料缺口敏感性的增加而增加，应力越大、轴的转速越慢、环境介质的腐蚀性越强，偏转现象越严重。根据疲劳源区和最终断裂区的相对位置就能大致推断出构件（一般为轴）的旋转方向。

但是，在很多情况下并不是只有一个疲劳源，而是有多个疲劳源在表面萌生并同时向内部扩展。如果疲劳裂纹在不同圆周平面的不同部位萌生，那么当扩展路径各不相同的疲劳裂纹在不同水平处相遇时就可能结合而成为一条疲劳裂纹。开始阶段不同疲劳裂纹相交处就形成所谓的“棘轮标记”，在一些极端的情况下，不同的疲劳裂纹在扩展过程中没有相交，直至最终断裂。

旋转弯曲疲劳断口的形貌受应力大小及应力集中程度的影响很大。一般来讲，名义应力越大，应力集中程度越高，疲劳断口上疲劳源的数目就越多，沿径向分布的疲劳台阶越多，最终断裂区所占比例越大，并且位置离轴心越近；名义应力越低，裂纹沿着周边的扩展比沿径向扩展得越快，从而形成不同的断口形貌。因此，可以根据断口上疲劳源的数目、最终断裂区的比例、最终断裂区偏离中心的程度、疲劳弧线的形状等来定性推测应力大小及应力集中程度。

③扭转疲劳断口。在实际构件的疲劳断裂中，单纯扭转载荷造成的疲劳断裂是很少见的，一般都是扭转载荷和其他载荷（如拉伸、弯曲等）复合作用导致构件的断裂。

由于疲劳裂纹总是在承受拉应力时扩展，因而圆柱体的扭转疲劳断口与圆周面呈45°。如果名义应力较低，疲劳裂纹可能会以更曲折的路径在轴向和径向同时扩展。

斜断口是扭转疲劳断口的基本形貌，在很多情况下，会出现锯齿形断口和星形断口。如果轴在交变扭转应力的作用下，在多个部位萌生裂纹，这些裂纹将同时沿与最大拉伸正应力垂直的方向（即与轴线呈45°夹角的方向）扩展，相邻裂纹相交就形成了锯齿形断口。

如果轴上有缺口，如轴上的键槽和花键槽，则是凹槽的尖角处产生应力集中，裂纹常在尖角处萌生，沿着与最大正应力垂直的方向扩展。

以上介绍的只是应力状态比较简单的情况下产生的典型的疲劳断口，实际构件在服役条件下承受的载荷可能会复杂得多，如各种复合载荷、复合载荷+振动载荷等。但是上述疲劳断口的基本特征是反推载荷性质及服役条件的基础。

3）疲劳断裂模式和原因相结合的实用分类。一般来说，构件发生疲劳断裂的原因可分为四个方面：设计原因（应力集中、交变应力水平、形状尺寸等）、材质原因（化学成分、组织结构、力学性能等）、工艺原因（表面完整性、装配等）和环境原因（温度、腐蚀介质及工作载荷等）。疲劳断裂模式和原因相结合的实用分类见表4-11。

表4-11 疲劳断裂模式和原因相结合的实用分类