冶金零件金屬疲勞裂紋樣品測量金相顯微鏡廠商
金屬疲勞的微觀機制
金屬的疲勞失效都是從裂紋起始開始．然后，該裂紋沿
零件的橫截面擴展，直到其余的鄰區不能再承受載荷，較終便
以靜態機制發生斷裂．因此，這就涉及到兩個截然不同的疲
勞過程——裂紋起始與裂紋擴展．
疲勞裂紋的起始是由結晶學滑移所引起，多起源于零件
的表面或亞表面．這是因為工程金屬通常都是多晶的，致使
零件表面(不會被其它晶粒完全包圍)上的晶粒就比材料內部
的晶粒更易變形．因此，表面上位向合適的晶粒就會在低于
整體屈服所需應力的作用下開始局部滑移，而試樣內部的晶
粒由于受到周圍材料的支撐與約束，即使位向合適也不能在
低載荷下發生變形．
裂紋起始過程
裂紋能夠按照下述兩種主要方式起始：
(D由表面晶粒中的結晶學滑移形成滑移帶，隨后出現
縫隙，較終便在合適的結晶學平面上加深成裂紋．這一過程
只對那些用既軟又韌的材料制成的零件才是重要的．由于存
在幾何形狀造成的應力集中，裂紋起始過程會大大加速．
(2)由于應變穿過夾雜物或堅硬的第二相粒子時極不一
致的結果．這一過程容易在冶金法強化的合金中出現，該合
金基體可抵抗因形成滑移帶裂紋而出現的結晶學滑移．
因此，在任一給定情況下所出現的裂紋起始機制，都是這
種材料在其自身范圍內承受跨越各種不均勻的外加應變的不
連續性的能力與基體的抗結晶學滑移能力相競爭的結果．
韌性光滑試樣的裂紋擴展
在滑移帶上因形成縫隙而發生裂紋起始時，隨后的裂紋
擴展過程便有兩個截然不同的階段．當裂紋限定在它所起始
的滑移面上時，產生第1階段．對予沒有應力集中的試樣來
說，裂紋擴展第1階段可占試樣總壽命的90％．然而，隨著
裂紋的加長，裂紋尖端的塑性區就會變得很大，以致同該材料
的結晶學特性無關，因此裂紋擴展就好象在連續介質中一樣．
由于裂紋擴展方向發生變化，致使裂紋在隨后的擴展過程中
出現較大的裂紋張開位移，這就是所謂的裂紋擴展第2階
段．裂紋的擴展方向，通常與裂紋尖端區中的較大拉伸主應
力大體垂直．由于第2階段比第1階段擴展得快，所以疲勞
斷口表面中面積較大的區域一般出現在第1I階段．裂紋擴
展第2階段要在疲勞斷口表面上造成一般常會看到的海灘
狀條紋．海灘狀條紋的方向變化往往和加載條件的變化有
關．如果施加的應力很低，那么海灘狀條紋就會細到只憑肉
眼根本無法看到的程度．
有時將第1階段和第2階段的裂紋分別稱為微觀裂紋
與宏觀裂紋．
從根本上說，裂紋擴展的第1階段和第2階段是不同
的．前者是靠某一特定滑移帶上發生的結晶學往復滑移過程
成核的，只要停留在第1階段，裂紋就只能沿著這一滑移帶方
向擴展．因此，第1階段裂紋成核和擴展的難易程度取決于
形成滑移帶的那一基體的強度．在任一特定的情況下，如果
第1階段擴展占整個疲勞過程中的絕大部分時，那么以常規
冶金方法提高材料強度，就能提高工程構件的疲勞總抗力．
反之，在韌性良好的金屬中出現第2階段時，其裂紋擴
展方式是連續的，因此它就不受傳統冶金強化方法的影響，而
且也不容易降低第2階段的裂紋擴展速率．
