1、疲劳断口形貌及其特征：

疲劳断口的宏观特征

1.金属疲劳断口宏观形貌

由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。

2、典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。

3、（1）疲劳源区。是疲劳裂纹的萌生区，由多个疲劳裂纹萌生点扩散并相遇而形成的区域。

（2）疲劳裂纹扩展区。是疲劳裂纹的亚临界扩展区，是疲劳断口上最重要的特征区域。

（3）瞬时断裂区。即快速静断区。当疲劳裂纹扩展到一定程度时，构件的有效承载面承受不了当时的载荷而发生快速断裂。

4、疲劳断口宏观形貌的基本特征：

• 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。

• 疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。

• 疲劳断口上的光亮区。

5、1.拉压疲劳断裂 ：通常情况下，拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部，这一点与静载拉伸断裂时不同。但当构件内部存在有明显的缺陷时，疲劳初裂纹将起源于缺陷处。此时，在断口上将出现两个明显的不同区域，一是光亮的圆形疲劳区（疲劳核心在此中心附近），周围是瞬时断裂区。在疲劳区内一般看不到疲劳弧线，而在瞬时断裂区具有明显的放射花样。

应力集中和材料缺陷将影响疲劳核心的数量及其所在位置，瞬时断裂区的相对大小与负荷大小及材料性质有关。

2.弯曲疲劳断裂：金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳三类。其共同点是初裂纹一般源于表面，然后沿着与最大正应力垂直的方向向内扩展，当剩余截面不能承受外加载荷时，构件发生突然断裂。

6、（1）单向弯曲疲劳断裂：像吊车悬臂之类的零件，在工作时承受单向弯曲负荷。承受脉动的单向弯曲应力的零件，其疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个，断口上可以看到呈同心圆状的贝纹花样，且呈凸向。最后断裂区在疲劳源区的对面，外围有剪切唇。

构件的次表面存在较大缺陷时，疲劳核心也可能在次表面产生。在受到较大的应力集中的影响时，疲劳孤线可能出现反向（呈凹状），并可能出现多个疲劳源区。

（2）双向弯曲疲劳断裂：某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用一。零件在双向弯曲应力作用下产生的疲劳断裂，其疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面的内部。两个疲劳核心并非同时产生，扩展速度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称。材料的性质、负荷的大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂基本相同。

（3）旋转弯曲疲劳断裂：许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。  

旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面，但无固定地点，疲劳源的数量可以是一个也可以是多个。疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。由此可以根据疲劳源区与最后断裂区的相对位置推知轴的旋转方向。

当轴的表面存在较大的应力集中时，可以出现多个疲劳源区。此时最后断裂区将移至轴件的内部。

7、疲劳断裂失效的原因与预防

1.零件的结构形状

零件的结构形状不合理，主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最易在此处萌生。

2.表面状态

不同的切削加工方式（车、铣、刨、磨、抛光）会形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。

3.材料及其组织状态

材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生。金属材料的组织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般的说，回火马氏体较其它混合组织，如珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体具有更高的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性，如非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。

4.装配与联接效应

• 装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。

• 正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍上。容易出现的问题是，认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利，使用实践和疲劳试验表明，这种看法具有很大的片面性

• 使用环境

环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢（0.28％C，11.5％ Ni，0.73％Cr），淬火并回火状态下在海水中的条件下疲劳强度大约只是在大气中的疲劳极限的20％。

6.载荷频谱

• 许多重要的工程结构件大多承受复杂循环加载。

• 在相同等效应变幅值不同应变路径下，非比例加载低周疲劳寿命远小于单轴拉压低周疲劳寿命。非比例加载低周疲劳寿命强烈依赖于应变路径，与各种应变路径下的非比例循环附加强化程序直接相关。

8、疲劳断裂的预防措施

预防疲劳断裂的措施与疲劳断裂发生的原因是一致的，一般为（1）改善构件的结构设计，提高表面精度，尽量减少或消除应力集中作用；（2）提高零件的疲劳抗力。

基本途径：

1、延缓疲劳裂纹萌生的时间

2、降低疲劳裂纹的扩展速率

3、提高疲劳裂纹门槛值的长度（△Kth）