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材料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中，通过萌生微弹簧裂纹释放应力。

　　解理弹簧裂纹的产生

　　解理弹簧裂纹萌生的理论基础是位错和孪生变形。材料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中，通过萌生微弹簧裂纹释放应力。微弹簧裂纹逐渐长大，弹簧裂纹长度达到格里菲斯临界长度时发生弹簧裂纹扩展导致材料断裂。

　　有以下几种弹簧裂纹萌生机制。

　　1、位错塞积机制

　　滑移面上的位错运动受到晶界、孪晶界、第二相或夹杂物等障碍物阻挡时，位错将在障碍物前塞积乙当若干个塞积位错在障碍物前产生的应力达到材料的理论断裂强度б时，在滑移面下方最大张应力平面上出现微弹簧裂纹，见图4-31 。

　　2、位错反应机制

　　为了解释体心立方金属。α-Fe沿( 001)面发生解理断裂的原因，柯垂尔提出了位错反应机制。

　　体心立方晶体中滑移面是(110），滑移方向是（111）。如果沿两个正交的滑移面(101)和(1O1)上各有布氏矢量为a/2（111）和a/2（111）的平行位错列在交又线上相遇，既可形成一个新位错a(001) 。这个新位错是不动位错。新位错对随后滑来的a/2（111）和a/2（111）两列位错起着障碍作用造成它们塞积。由于塞积不断增加，产生应力集中导致沿晶体（001）面解理开裂，形成弹簧裂纹，见图4-32。

　　3、滑移解理机制

　　图4-33表示由位错排列构成的小角度晶界，在外加切应力作用厂这个晶界有穿晶运动的倾向。如果这个晶界的一部分，例如下面的部分被障碍物(如沉淀物、夹杂物、位错网等)所阻碍，它就有被切成两段的可能，于是在分开晶界的未端就会产生较大的拉应力，从而导致开裂。弹簧裂纹所在平面一解理面就是晶体的滑移面。

　　在滑移面与解理面重合的密排六方晶体中已观察到此种类型的弹簧裂纹。

　　4、其它作用机制

　　1）孪生作用机制:体心立方晶体低温形变时后生孪晶与先生孪晶相碰撞，产生应力集中出现微弹簧裂纹。

　　2）位错交叉滑移:滑移带相交形成不完整的位错墙，产生应力集中引起弹簧裂纹。

　　3）刃型位错合并:几个同号刃型位错，在外力作用下合并引起弹簧裂纹成核。

典型的疲劳断口可明显的分为三个具有不同形貌特征的区域，即疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区

　　弹簧疲劳断口三个区域

　　从宏观上看，疲劳断口附近无明显的塑性变形，是脆性断裂。典型的疲劳断口可明显的分为三个具有不同形貌特征的区域，即疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区，它们分别代表了疲劳破坏的不同历程。图6-1是典型的疲劳断口。下面分别讨论三个区域的特征。

　　一、疲劳核心(或称疲劳源)

　　用肉眼或用低倍放大镜就能大致判断其位置，它是疲劳破坏的起点。在疲劳断口上，它是一个光滑、细洁的扇形小区域。实际上，真正的疲劳源是大致位于“扇”柄处的裂纹萌生和微观裂纹（几十微米长）扩展处，关于它的形成过程将在机理研究中详细分析。

　　大部分的光亮区是当裂纹长在1mm以下时裂纹缓慢扩展期形成的，这一阶段裂纹张开位移小，扩展缓慢，反复的张开和闭合使断口两面相互挤磨，形成了断口上最细滑的区域。在此区域，一也常看到以疲劳核心为中心的贝纹线向外发射，有的还可见向四周辐射的放射台阶或线痕，并可延伸到很远的地方，这说明疲劳裂纹不是简单的一个宏观平面，而是沿着一系列具有高度差的宏观平面向周围扩展，这时，疲劳核心往往是一条锯齿状的微裂纹，或者在核心区存在若干疲劳源。

　　疲劳核心一般总是在表面处形成，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、空洞、化学成份的偏析，或进行了某种表面处理等，也可能在“皮下”或内部产生。疲劳核心的数目有时不止一个，可能有两个甚至两个以上，尤其是低周疲劳，断口常有几个位于不同位置的疲劳核心。

　　二、疲劳裂纹扩展区

　　这是疲劳断口上最重要的特征区域，很多情况下，它占据了断口的大部分区域。在此区内，表面比疲劳核心区粗糙、发暗，常可见呈现贝纹状、蛤壳状或海滩波纹状的条纹。这些条纹以裂纹核心为中心，向四周扩散，形成一簇弧形线条，它们垂直于裂纹扩展方向。裂纹形成后，拉应力作用时，裂纹张开，尖端钝化，受压或卸载时闭合，裂纹尖端重新锐化，再一次循环受拉，由于尖端的应力集中，发生亚临界扩展，便留下一条疲劳辉纹，这些辉纹肉眼难于分辨。而可见的贝纹线多是由载荷谱的波动所致，机器的起动与关闭，或运转过程中偶然因素引起的应力波动等都会促使贝纹线产生。而在实验室里作恒应力或恒应变试验时，载荷谱较稳定，断口一般无此特征，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而磨擦，使该区变得光滑、呈细晶状，有时甚至光洁得像瓷质状结构。对于低周疲劳，也观察不到此种贝纹线。

　　由疲劳核心区发展过来的台阶，在扩展区越发展台阶越大，成为一条条由裂纹源发出的放射条纹，这些条纹与贝纹线相垂直。

　　三、瞬断区

　　这是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后失稳扩展所形成的区域，它的特征与静载拉伸断口中快速断裂的放射区及剪切唇相似，放射区和剪切唇的有无、大小与材斜的特性及载荷的历程有关。载荷较大或有突然超载的情况时两个特征形貌明显，且占断口的比例也较大，若载荷较稳定，对某些材料的断口就可能看不到明显的放射区，而只有剪切唇，瞬断区也较小。但有些较脆材料的断口，瞬断区就呈结晶状的脆性断口特征了。

在疲劳载荷作用下，最大正应力总是出现在表面处，所以弹簧弯曲疲劳断口的共性特点是疲劳核心绝大多数都在表面形成

　　根据所受载荷的特点，疲劳断口可分为弯曲疲劳、轴向(拉-拉，拉-压或脉动)疲劳断口、扭转疲劳断口及复合疲劳断口，其中以弹簧弯曲疲劳断口最为常见，纯粹的轴向疲劳断口较少见。弹簧弯曲疲劳断口特征为：

　　　　因在疲劳载荷作用下，最大正应力总是出现在表面处，所以弹簧弯曲疲劳断口的共性特点是疲劳核心绝大多数都在表面形成，然后沿与最大应力相垂直的方向扩展，裂纹达到临界尺寸后，构件迅速断裂。但是，弯曲疲劳载荷随时间的变化规律是不同的，相应的变形及疲劳断裂机理也各具特点，可以归纳出单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳和旋转弯曲疲劳。现以圆截面轴类零件为例，分别介绍如下。

　　（1）单向弯曲疲劳

　　单向弯曲疲劳的受力及变形特点.见图6-2，其截而上的正应力沿截面高度按线性分布，表面处A点和B点上分别有最大的拉应力和压应力，且它们仅受单向应力作用，A点上拉应力随时问的变化如图6-2c。示。疲劳源都在此处产生，如无应力集中，裂纹由核心向四周扩展的速度基本相同，形成如图6-2（a）示的贝纹线，最终在疲劳核心的对侧失稳断裂。若有应力集中的条件，如轴类零件的台阶部分，因台阶根部应力集中较大，疲劳裂纹在靠近表面的两侧扩展迅速，便形成如图6-2（b）所示的断口形态，瞬时破断区的面积比无应力集中现象的大。

　　（2）双向弹簧弯曲疲劳断口

　　双向弯曲疲劳时的疲劳载荷(弯矩)及变形如图6-3所示，在这种双向交互作用的弯矩作用下以中性轴为界，构件的上下两部分将分别受到拉、压两向交变应力的作用，在离中性轴最远的表面处出现最大正应力。若M+=M-，则中性轴两侧最远处的最大正应力相等。通常将在这两处的表面同时产生疲劳源，并同时向内扩展，扩展深度也人致拓等。若有应力集中，则其断口形态如图6-3（b）所示，两个裂纹的前沿均呈外凸状，且瞬断区较大。若M+≠M-，则中性轴两侧最远处的最大应力等值反向，如图6-4所示。例如A点的最大拉应力与B点的最大压应力等值，而B点的最大拉应力则低于A点的最大拉应力。这时就会在A点首先产生疲劳源，而后，可能在召点产生第二个疲劳源(与M+/M-比值有关)，且前者的扩展速度较快。

　　另外，若疲劳载荷较低，形成疲劳源较困难，表面质量和材料缺陷可能对形成疲劳源起更重要的作用，疲劳源将在有表面划痕等工艺缺陷及夹杂等材料缺陷的表面处出现，对侧形成疲劳源较晚，同时，两个疲劳裂纹的扩展深度也有较大的左别。结果，得到的断口是不对称的。

　　（3）旋转弹簧弯曲疲劳断口

　　旋转弯曲疲劳的典型受力与变形见图6-5。构件上的各点均受正弦规律连续交桥作用的拉应力和压应力.在表面处各点的应力幅度最大。所以，在等弯矩截面上的各点均有相同的疲劳源萌生机会。但若载荷较小，则常在一处产生裂纹源:并向两侧和内部扩展。由于构件的旋转，疲劳源两侧交替出现比内部应力大的拉应力，疲劳裂纹在两侧的扩展速度比中心部位快，所形成的贝纹线较平直。构件的旋转，相当于弯曲载荷的作用面逆旋转方向而动，致使疲劳裂纹的前沿顺着载荷移动的方向扩展速度快，逆载荷移动方向扩展速度慢。所以，旋转疲劳断口的瞬断区不是在疲劳源的正对面，而是编转一个角度，通常可达15°，甚至更大。此偏移的方向与构件旋转方向相反，从疲劳核心与瞬断区的相对位置即可推知构件的旋转方向。

　　应力集中会明显影响断口形貌。有周向缺口或台阶的轴类构件，当应力集中不大时，可能只产生一个疲劳源，瞬断区在疲劳源的对应一侧。图6-6为施转弹簧弯曲疲劳断口，键槽底部尖角处应力集中，是裂纹萌生点。当应力集中较大时，就可能沿周围产生几个疲劳源，它们同时向内部扩展，瞬断区将在内部。名义应力越大，疲劳源越有增多的趋势，瞬断区一也越向中心移动.大量的事例证明若瞬断区位于中心则断裂前的交变载荷循环次数一般不会超过万次。这种情况卜的应力水平平均为疲劳极限的1.5-2.0倍。当瞬断区位干轴的外侧时，断裂前一般都经历了几百万次的旋转。所以，很据瞬断区的位置与大小，可以推断轴所受的载荷或名义应力的大小。     图6-7给出了应力集中及载荷大小对旋转弹簧弯曲疲劳断口形貌的影响。

　　若应力沿轴向分布较均匀，则弹簧弯曲疲劳断口一般为一个与轴线相垂直的平断日，若因截面积的突然变化引起应力集中，则在应力集中截面处形成的弹簧弯曲疲劳断口不是平的，而是一个碟形的所谓皿型断日，图6-8示出了主应力线及裂纹扩展路线。如果在轴颈处有一定的应力集中，且同时承受一定的扭矩，则旋转弯曲疲劳可能同时产生几个疲劳核心。由于扭矩的作用，裂纹将以螺旋状向前扩展，最后这些裂纹在轴的中央会合，形成棘轮状断口。

　　综上所述，对于圆截面轴类零件的弹簧弯曲疲劳断口形貌可归纳为如图6-9所示的几种情况。

疲劳核心一般都在表面形成，形成微观裂纹后裂纹即沿与最大拉伸正应力垂直的方向-即与轴线相垂直的力向扩展。达临界尺寸后，即失稳断裂

　　弹簧轴向疲劳断口

　　若弹簧仅承受轴向疲劳载荷，将产生轴向疲劳断口、工程实际中并不多见。应力分布均匀的轴向拉-拉或拉-压疲劳，疲劳核心一般都在表面形成，形成微观裂纹后裂纹即沿与最大拉伸正应力垂直的方向-即与轴线相垂直的力向扩展。达临界尺寸后，即失稳断裂。若弹簧内部有一缺陷或较大的夹杂，也可能在缺陷或夹杂处产生疲劳源，如图6-10所示的蒸气锤活塞杆疲劳断口，疲劳源及扩展区就位于断口中央，疲劳源亦在扩展区的中心，外侧是瞬断区，具有明显的放射状花样。

　　轴向疲劳断口形貌与载荷的大小、应力集中的有无及大小有关。

　　(1)应力大小的影响

　　当工作应力低于或超过疲劳极限不大时，属低应力疲劳，其断口日的最大特征是疲劳裂纹扩展充分，故疲劳区大。瞬断区小，疲劳寿命长。实际零件上常出现由于载荷波动引起的贝纹状条纹，如图6一11(d)所示。

　　(2)应力集中的影响

　　对于光滑的圆轴，无应力集中，裂纹从裂纹源向各方向的扩展速度基本相同，裂纹前沿呈外凸的圆弧状，如图6-11（ad）所示。

　　若轴上有台阶或缺口，存在应力力集中现象，则由于外侧的应力集中较显著，两侧裂纹扩展速度比中间快。裂纹前沿呈波纹状(高应力时)如图6-11（b,o）或呈内凸弧状(低应力时)如图6-11（n,f）。

　　当应力较高时，疲劳区较小，瞬时断裂区大，疲劳寿命短，如图6-11(a)所示

　　对于板状弹簧，疲劳核心多发生在棱角处，如图6-11(g),若两侧有缺口，则如图6-11(h,i)裂纹核心在缺口根部户向中央扩展。

最外边缘处剪应力最大，心部为零

　　弹簧扭转疲劳断口

　　轴类零件在扭矩作用下，横截面和纵向截面上有沿径向按线性分布的剪应力，如图6-12示。最外边缘处剪应力最大，心部为零，由应力分析可知，在与轴线成45度的斜面上有最大拉应力和压应力。

　　前面介绍的几种疲劳裂纹形式的共同特点是，裂纹一旦点形成，裂纹一般都沿与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展。但对扭转疲劳，就会出现两种可能的破坏方式，一类为正断型，裂纹沿与最大拉伸正应力的方向扩展，形成与轴纹成45度夹角的斜断口，一般脆性材料以这种方式断裂；一类是切断型，裂纹沿最人切应力方向扩展，形成与轴线相垂直的平断口，一般塑性材料以这种方式断裂。

　　有时也会出现混合型断口，如先以切断型扩展，以后又转变为正断型扩展。常见的扭转疲尝断日型式可归纳为6-14所示的几种形态。

　　对于正断型扭转疲劳，断口多呈赖轮状、饼齿状和星状。

　　棘轮状断口是在单向脉动扭转应力作用下形成的。在反复的扭转应力作用下。可在轴表面的夹角、缺口或某些薄弱处同时产生多个疲劳源，在拉伸正应力的作用下，分别沿与轴线成45度角的方间扩展。并以螺旋状间中心发展，当裂纹扩展到一定程度时，最后的连接部分瞬时断裂，形成具有棘轮状花样的放射型断口。其形成过程如图6-15示。

　　锯齿形断口是在双向交变扭转载荷作用下形成的。疲劳源在多处形成后，裂纹便分别沿与轴线域+45°和-45°的两个垂直于最大正应力的方向交替扩展。在相邻的裂纹相交后，发生断裂而形成锯齿状断口，其形成过程如图6-16示：

　　如果轴上开有如花键或键槽等轴向缺品，则在凹槽的夹角处产生应力集中，裂纹多在此处产生，并沿着与最大拉应力相垂直的方向扩展。特别是对于花键轴，可能在各个尖角处都形成疲劳源，它们各自沿与拉应力相垂直的方向扩展，最后在轴的中央汇合，便形成星形断口，其形成过程如图6-17示。

　　对于切新型的扭转疲劳，其断口为垂直十轴线的平断口或呈图6-16双向扭转载荷作用下的锯齿形疲劳断口形成示意图台阶状。疲劳扩展区较光滑，可见较模糊的疲劳弧线，瞬断区呈纤维撕裂状，沿扭转方向有螺旋花样。图6-18为一切断型扭转疲劳断口。

　　以上介绍了应力状态比较简单情况下典型的疲劳断口，工程实际中的构件形状、应力状态都要复杂得多，它们在服役条件下的疲劳断裂也就复杂得多。但这些典型疲劳破坏的分析对复杂情况的研究是非常有帮助的。

　　另外，还有一种属于疲劳破坏的破坏方式，即接触疲劳。这是一种在交变的接触应力作用下，在构件表面所形成的破坏方式，例如齿轮齿面的麻点疲劳剥落，硬化层疲劳剥落等，这些表面疲劳破坏都与相互接触的滚动表面有关，其主要表现形式是接触表面的点蚀裂纹和片蚀：周期作用的接触使得在表层面不远处的周期切应力达到最大值，循环切应力则导致了裂纹的产生。

　　与疲劳有关的破坏形式还有撞击疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳、微动疲劳和热疲劳等。其断口形貌都各有特点，值得注意。