疲劳断口的宏观形貌特征分析及航空材料力学性能检测?

典型的疲劳断口按断裂过程分为三个区域，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。图3-13所示为某直升机旋翼轴颈首扣螺纹处断裂的全貌和疲劳断口。图3-13b中清晰地显示了三个区域：光滑细腻的疲劳源区、显现贝纹状花纹的疲劳裂纹扩展区和呈纤维状的瞬时脆性断裂区。

图3-13 某直升机旋翼轴颈首扣螺纹处断裂的全貌和疲劳断口

1.疲劳源区

疲劳源是疲劳破坏的起点，它一般总是发生在表面。但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、空洞、偏析等，也可在零件的次表面或内部发生。疲劳裂纹形成后，由于表面经受反复挤压摩擦，使该区变得光滑、细腻。疲劳源的数目可以是一个，也可以是多个，这与机件的应力状态和过载程度有关。如单向弯曲疲劳断裂时是一个疲劳源，双向反复弯曲时就出现两个疲劳源。过载程度越大，即公称应力越高，则出现的疲劳源数目就越多。

2.疲劳裂纹扩展区

疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹亚临界扩展部分。它的典型特征是具有贝壳一样的花纹，一般称为贝纹线，也称为海滩状条纹、疲劳停歇线或疲劳线，如图3-13b所示。贝纹线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向外凸的同心圆，它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。贝纹线是由于载荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中的停车起动等原因，裂纹扩展过程中产生的相应微小变化所造成的。因此这种花纹常出现在构件的断口上，或变幅载荷的疲劳断口上。贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向相垂直，因而在与贝纹线垂直的相反方向，对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。通常在疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减小，实际应力增强，裂纹扩展速率加快，故贝纹线较稀疏。当断口上有多个疲劳源时，根据疲劳源区附近贝纹线的疏密程度可以判断疲劳源产生的先后次序。贝纹线还与材料性质有关，即较小的间距表示材料韧性较好，疲劳裂纹扩展速率较慢，在较软的材料中易出现贝纹线，而在较硬的材料中则不易看到。

3.瞬时脆性断裂区

瞬时脆性断裂区是疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。随着应力循环周次增加，疲劳裂纹不断扩展，当其尺寸达到相应载荷（σ_max）下的临界值时，裂纹将失稳快速扩展，从而形成瞬时脆性断裂区，瞬时脆性断裂区的断口形态与断裂韧性试样相近，靠近中心为平面应变状态的平断口，与疲劳裂纹扩展区处于同一个平面上，边缘处则变为平面应力状态的剪切唇区。韧性材料断口为纤维状，暗灰色；脆性材料为结晶状。

4.载荷类型、应力大小和应力集中因素对疲劳断口形态的影响(www.xing528.com)

疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的形状，以及它们所占面积的相对比例和构件的形状、载类型、载荷大小及应力集中程度有关。图3-14为各类疲劳断口的形态示意图。它们示意地说明了载荷类型、应力大小和应力集中因素对疲劳断口形态的影响。比较各种类型断口具有如下特点：

（1）高公称应力的光滑试样 由于没有明显的应力集中，裂纹产生于试样表面，裂纹由疲劳源向四周的扩散速率基本相同，贝纹线呈圆弧形。由于应力高，故疲劳断口上瞬时断裂区相对于疲劳裂纹扩展区所占面积的比例较大。

图3-14 各类疲劳断口的形态示意图

（2）高公称应力的缺口试样 因缺口根部存在应力集中，故裂纹沿两侧扩展速率较快，从而形成波浪形的贝纹线。应力集中越大，这种特征越明显。

（3）低公称应力试样 无论试样上有无缺口，由于应力低，疲劳裂纹扩展都比较充分，故缺口上疲劳裂纹扩展区所占面积的比例较大。当有缺口时，疲劳裂纹沿两侧扩展速率较快。

（4）载荷类型 脉动拉伸、拉-压和单向弯曲试样一般都是一个疲劳源，疲劳裂纹沿一个方向扩展，只有一个疲劳裂纹扩展区。双向弯曲试样，无论有无缺口，都出现两个疲劳源，疲劳裂纹从两处开始扩展，形成两个疲劳裂纹扩展区。在低公称应力下，旋转弯曲试样的瞬时断裂区与疲劳源的相对位置，随着疲劳裂纹的扩展，逐渐向试样旋转方向的相反方向偏转一定角度。这是由于迎着转动方向的疲劳裂纹扩展速度较快所致。

在交变扭转应力作用下，高公称应力光滑试样，其疲劳断口与轴向约成45°角，这是循环应力中最大拉应力引起的；而低公称应力的光滑试样，其疲劳断口垂直于轴线方向，这是循环应力中最大切应力所引起的。对于缺口试样，不论公称应力高低如何，其断口总是呈锯齿形的。锯齿形断口的形成是由于疲劳裂纹自表面形成后，在正向和反向扭转力矩作用下，分别沿+45°和-45°两个斜方向扩展，最后两相邻裂纹相交所致。

以上讨论的高周疲劳宏观断口特征是一种典型情况。在一个机件的疲劳断口上不一定能同时找到疲劳断裂的三个区域。由于加载条件、材料性能等原因，疲劳断口上某些区域可能很小，甚至可能消失，因此分析具体疲劳断口时要从实际出发，不可绝对化。