疲劳断裂的基本形式和特征

• 按交变载荷的形式不同可分为：拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等；

  
  

• 按疲劳断裂的总周次的大小 (Nf)可分为：高周疲劳 (Nf＞10⁵) 和低周疲劳 (Nf＜10⁴)；

  
  

• 按零件服役的温度及介质条件可分为：机械疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。

但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。

(1) 切断疲劳失效

切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力/缺口切断强度≥1；正应力/缺口正断强度＜1。

切断疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成45º角，并沿其滑移面扩展。

由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数）分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件，都将有利于这种破坏形式的产生。

(2) 正断疲劳失效

正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正应力/缺口正断强度≥1，切应力/缺口切断强度＜1。

正断疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。

大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生。高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。

(1) 疲劳断裂的突发性

疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程，但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征，因而断裂是突然进行的。

(2) 疲劳断裂应力很低

循环应力中最大应为幅值一般远低于材料的强度极限和屈服极限。例如，对于旋转弯曲疲劳来说，经10⁷次应力循环破断的应力仅为静弯曲应为的20～40%；对于对称拉压疲劳来说，疲劳破坏的应力水平还要更低一些。对于钢制构件，在工程设计中采用的近似计算公式为：

或

(3) 疲劳断裂是一个损伤积累的过程

疲劳断裂不是立即发生的，往往经过很长的时间才完成。疲劳初裂纹的萌生与扩展均是多次应力循环损伤积累的结果。

在工程上，通常把试件上产生一条可见的初裂纹的应力循环周次 (N0)或将N0 与试件的总寿命Nf 的比值 (N0/Nf ) 作为表征材料疲劳裂纹萌生孕育期的参量。疲劳裂纹萌生的孕育期与应力幅的大小、试件的形状及应力集中状况、材料性质、温度与介质等因素有关。

(4) 疲劳断裂对材料缺陷的敏感性

金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的，有的则是使用过程中产生的。

部分材料的N0/Nf值

各因素对N0/Nf值影响的趋势

(5) 疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性

金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有所说的疲劳极限。