?東莞金屬材料的疲勞斷裂是指材料在交變應(yīng)力或循環(huán)載荷作用下（即使應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度），經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，逐漸產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。其核心原因是材料內(nèi)部的微觀缺陷在循環(huán)載荷下逐漸累積，形成宏觀裂紋直至失效。以下是具體的成因分析：
一、疲勞斷裂的主要原因
1. 交變應(yīng)力的作用
應(yīng)力特征：疲勞斷裂的發(fā)生必須依賴于周期性變化的應(yīng)力（拉伸 - 壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等），應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)是關(guān)鍵因素。
應(yīng)力集中：
構(gòu)件幾何形狀突變（如缺口、孔洞、臺階、螺紋）、表面加工缺陷（刀痕、劃痕）或內(nèi)部缺陷（夾雜物、氣孔）會導(dǎo)致局部應(yīng)力顯著高于平均應(yīng)力，形成應(yīng)力集中源，成為疲勞裂紋的萌生地。
例如：齒輪齒根的圓角半徑過小、螺栓孔邊緣的加工粗糙，均會加速疲勞裂紋的產(chǎn)生。
2. 材料內(nèi)部缺陷
微觀缺陷：
金屬材料內(nèi)部的夾雜物（如氧化物、硫化物）、氣孔、晶粒邊界、位錯堆積等缺陷，會在循環(huán)載荷下引發(fā)局部塑性變形，逐漸形成微裂紋。
例如：鋼中的硫化物夾雜物與基體結(jié)合力弱，易在循環(huán)應(yīng)力下脫落形成微孔，成為裂紋起點(diǎn)。
晶粒結(jié)構(gòu)：
晶粒粗大時，晶界面積小，裂紋容易沿晶界擴(kuò)展；晶粒細(xì)小則晶界阻礙裂紋擴(kuò)展，可提高疲勞強(qiáng)度（如細(xì)晶強(qiáng)化）。
3. 表面狀態(tài)的影響
表面損傷：
表面磨損、腐蝕坑、氧化膜破裂等會破壞材料表面的完整性，形成應(yīng)力集中點(diǎn)，加速疲勞裂紋萌生。
例如：海洋環(huán)境中金屬構(gòu)件表面被腐蝕后，腐蝕坑邊緣易成為疲勞裂紋源。
表面加工質(zhì)量：
磨削、拋光等工藝可降低表面粗糙度，減少應(yīng)力集中；反之，粗糙表面（如鑄造毛坯）會顯著降低疲勞壽命。
4. 環(huán)境因素
腐蝕疲勞：
在腐蝕介質(zhì)（如水、鹽霧、酸液）中，金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，同時循環(huán)應(yīng)力加劇裂紋擴(kuò)展，兩者協(xié)同作用導(dǎo)致腐蝕疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于干燥環(huán)境下的疲勞強(qiáng)度。
例如：船舶螺旋槳、化工管道在腐蝕介質(zhì)與振動載荷共同作用下易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。
高溫或低溫影響：
高溫下材料易發(fā)生蠕變，加速裂紋擴(kuò)展；低溫下材料韌性下降，裂紋擴(kuò)展更敏感。
二、疲勞斷裂的發(fā)展過程
疲勞斷裂通常分為三個階段，各階段的機(jī)制與影響因素不同：
1. 裂紋萌生階段
機(jī)制：
在循環(huán)應(yīng)力作用下，材料表面或內(nèi)部缺陷處發(fā)生局部塑性變形，形成滑移帶（晶體滑移的微觀痕跡），滑移帶逐漸變寬變深形成微裂紋（長度通常＜100 μm）。
純金屬中，微裂紋多起源于 “駐留滑移帶”（循環(huán)載荷下反復(fù)滑移形成的永久損傷）；合金中則常起源于第二相顆粒與基體的界面脫粘。
影響因素：應(yīng)力幅值、表面粗糙度、材料純度、晶粒尺寸。
2. 裂紋擴(kuò)展階段
機(jī)制：
微裂紋逐漸擴(kuò)展為宏觀裂紋，擴(kuò)展路徑分為兩種：
穿晶擴(kuò)展：裂紋穿過晶粒內(nèi)部，是大多數(shù)金屬疲勞斷裂的主要方式，斷口可見 “疲勞輝紋”（裂紋每一次擴(kuò)展留下的微觀條紋，如圖所示）。
沿晶擴(kuò)展：裂紋沿晶界擴(kuò)展，常見于高溫疲勞或晶界弱化的材料（如時效脆化的合金）。
影響因素：應(yīng)力強(qiáng)度因子幅（ΔK）、材料韌性、腐蝕介質(zhì)、溫度。
3. 瞬時斷裂階段
機(jī)制：
當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸時，剩余截面無法承受載荷，發(fā)生突然脆性斷裂。斷口特征為：
疲勞區(qū)：裂紋緩慢擴(kuò)展形成的光滑區(qū)域，可能有貝殼狀條紋（宏觀疲勞輝紋）；
瞬斷區(qū)：粗糙的結(jié)晶狀或纖維狀區(qū)域，類似靜載斷裂的斷口。
影響因素：材料的斷裂韌性（K?C）、剩余截面的應(yīng)力狀態(tài)（拉伸、剪切等）。
三、典型案例與預(yù)防措施
1. 典型案例
機(jī)械零件失效：汽車發(fā)動機(jī)曲軸、橋梁鋼纜、航空發(fā)動機(jī)葉片等在長期振動載荷下易發(fā)生疲勞斷裂。
歷史事故：1954 年英國 “彗星” 客機(jī)因金屬疲勞導(dǎo)致機(jī)身破裂墜毀，推動了疲勞斷裂理論的研究與航空材料抗疲勞設(shè)計(jì)的發(fā)展。
2. 預(yù)防措施
優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
避免尖角、驟變截面，采用圓滑過渡（如加大圓角半徑）減少應(yīng)力集中；
合理設(shè)計(jì)構(gòu)件形狀，使應(yīng)力分布均勻（如等強(qiáng)度梁設(shè)計(jì)）。
改善材料質(zhì)量：
采用高純度冶煉工藝（如真空熔煉）減少夾雜物；
進(jìn)行熱處理（如表面淬火、滲碳）提高表面硬度和殘余壓應(yīng)力，抑制裂紋萌生（如齒輪表面滲碳）。
表面強(qiáng)化處理：
噴丸處理：利用高速彈丸撞擊表面，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力（如汽車鋼板彈簧噴丸）；
滾壓加工：通過滾輪碾壓表面，細(xì)化晶粒并降低粗糙度；
鍍層保護(hù)：電鍍或熱噴涂耐腐蝕層（如鍍鉻），防止表面腐蝕引發(fā)疲勞。
控制使用環(huán)境：
避免金屬構(gòu)件長期暴露于腐蝕介質(zhì)，或采取涂層防護(hù)（如油漆、電鍍）；
定期檢測關(guān)鍵部件（如橋梁、壓力容器）的裂紋擴(kuò)展情況，通過無損檢測（超聲、磁粉、渦流）早期發(fā)現(xiàn)隱患。
合理選擇材料：
根據(jù)載荷性質(zhì)（交變應(yīng)力幅值、循環(huán)次數(shù)）選擇疲勞強(qiáng)度匹配的材料，如高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼（40Cr、35CrMo）用于高載荷零件。