冶金零件金属疲劳裂纹样品测量金相显微镜厂商
金属疲劳的微观机制
金属的疲劳失效都是从裂纹起始开始．然后，该裂纹沿
零件的横截面扩展，直到其余的邻区不能再承受载荷，较终便
以静态机制发生断裂．因此，这就涉及到两个截然不同的疲
劳过程——裂纹起始与裂纹扩展．
疲劳裂纹的起始是由结晶学滑移所引起，多起源于零件
的表面或亚表面．这是因为工程金属通常都是多晶的，致使
零件表面(不会被其它晶粒完全包围)上的晶粒就比材料内部
的晶粒更易变形．因此，表面上位向合适的晶粒就会在低于
整体屈服所需应力的作用下开始局部滑移，而试样内部的晶
粒由于受到周围材料的支撑与约束，即使位向合适也不能在
低载荷下发生变形．
裂纹起始过程
裂纹能够按照下述两种主要方式起始：
(D由表面晶粒中的结晶学滑移形成滑移带，随后出现
缝隙，较终便在合适的结晶学平面上加深成裂纹．这一过程
只对那些用既软又韧的材料制成的零件才是重要的．由于存
在几何形状造成的应力集中，裂纹起始过程会大大加速．
(2)由于应变穿过夹杂物或坚硬的第二相粒子时极不一
致的结果．这一过程容易在冶金法强化的合金中出现，该合
金基体可抵抗因形成滑移带裂纹而出现的结晶学滑移．
因此，在任一给定情况下所出现的裂纹起始机制，都是这
种材料在其自身范围内承受跨越各种不均匀的外加应变的不
连续性的能力与基体的抗结晶学滑移能力相竞争的结果．
韧性光滑试样的裂纹扩展
在滑移带上因形成缝隙而发生裂纹起始时，随后的裂纹
扩展过程便有两个截然不同的阶段．当裂纹限定在它所起始
的滑移面上时，产生第1阶段．对予没有应力集中的试样来
说，裂纹扩展第1阶段可占试样总寿命的90％．然而，随着
裂纹的加长，裂纹尖端的塑性区就会变得很大，以致同该材料
的结晶学特性无关，因此裂纹扩展就好象在连续介质中一样．
由于裂纹扩展方向发生变化，致使裂纹在随后的扩展过程中
出现较大的裂纹张开位移，这就是所谓的裂纹扩展第2阶
段．裂纹的扩展方向，通常与裂纹尖端区中的较大拉伸主应
力大体垂直．由于第2阶段比第1阶段扩展得快，所以疲劳
断口表面中面积较大的区域一般出现在第1I阶段．裂纹扩
展第2阶段要在疲劳断口表面上造成一般常会看到的海滩
状条纹．海滩状条纹的方向变化往往和加载条件的变化有
关．如果施加的应力很低，那么海滩状条纹就会细到只凭肉
眼根本无法看到的程度．
有时将第1阶段和第2阶段的裂纹分别称为微观裂纹
与宏观裂纹．
从根本上说，裂纹扩展的第1阶段和第2阶段是不同
的．前者是靠某一特定滑移带上发生的结晶学往复滑移过程
成核的，只要停留在第1阶段，裂纹就只能沿着这一滑移带方
向扩展．因此，第1阶段裂纹成核和扩展的难易程度取决于
形成滑移带的那一基体的强度．在任一特定的情况下，如果
第1阶段扩展占整个疲劳过程中的绝大部分时，那么以常规
冶金方法提高材料强度，就能提高工程构件的疲劳总抗力．
反之，在韧性良好的金属中出现第2阶段时，其裂纹扩
展方式是连续的，因此它就不受传统冶金强化方法的影响，而
且也不容易降低第2阶段的裂纹扩展速率．
