疲劳断口的微观特征

宏观上，典型的疲劳断口由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区、瞬断区三部分组成；这三个部分的微观形貌各不相同，下面分别说明。

1. 疲劳源区的微观形貌

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疲劳源区域是疲劳裂纹的起点，通常位于材料表面或近表面的缺陷处，如划痕、夹杂、晶界或加工损伤等位置。该区域的微观形貌非常复杂，可能出现的微观形貌特征有：摩擦痕迹、滑移线、准解理形貌(如河流、羽毛、舌头等)、沿晶、早期疲劳条带、混合形貌等断口特征，图1给出了疲劳源区几种不同的微观形貌。

2. 疲劳裂纹稳定扩展区的微观形貌

疲劳裂纹稳定扩展区对应着疲劳裂纹扩展第Ⅱ阶段，其典型的微观特征有疲劳条带、二次裂纹、轮胎压痕。

1）疲劳条带

疲劳条带，也称为疲劳辉纹，是一系列基本上相互平行的条纹，条带方向与局部裂纹扩展方向垂直、并沿着局部裂纹扩展方向外凸；其微观形貌如图2所示。

在理想情况下，每一条疲劳条代表着一次相对应的循环载荷，即疲劳条带与载荷循环数相等。但实际上，由于裂纹闭合效应等因素的影响，循环载荷数的数目远大于微观可见的疲劳条带数目。此外，疲劳条带间距有一定的变化规律。一般随应力强度因子范围的增大而增大，随着裂纹扩展长度的增加而增大。

需要指出的是，疲劳条带是疲劳断口最典型的微观形貌特征，也是判断疲劳断裂的基本依据。只要在断口上发现了疲劳条带，就可判定此断口为疲劳断口；但是如果断口上没有疲劳条带特征，却不能判定该断口不是疲劳断口。也就是说，疲劳条带是疲劳断口的充分条件，而不是必要条件。

2）二次裂纹

在疲劳断口上经常可以观察到与疲劳条带一起存在的二次裂纹，它是疲劳裂纹扩展阶段的典型伴生特征。二次裂纹平行于疲劳条带，与疲劳裂纹扩展方向垂直。图3是疲劳断口上的疲劳条带和二次裂纹。

二次裂纹不仅是疲劳断裂的“痕迹"，还与疲劳过程中的应力水平有关。一般情况下，应力越高，二次裂纹的数量越多、长度越长；反之，应力较低时，二次裂纹较少甚至没有。

3）轮胎压痕

轮胎压痕，顾名思义，其微观形貌类似轮胎在泥地上留下的痕迹，也叫轮胎花样，如图4所示。一般认为，轮胎压痕是在疲劳循环的闭合过程中，一个断口表面上的颗粒或凸起撞击匹配断口表面所留下的痕迹。

一般情况下，拉-压疲劳断口比拉-拉疲劳更容易在断口上产生轮胎压痕。轮胎压痕不是疲劳断裂的基本形貌，但却是疲劳断裂的一种表征。如果疲劳断口上有疲劳条带，同时出现轮胎压痕，可以初步判定为高应力疲劳断裂。

3. 瞬断区的微观形貌

疲劳断口瞬断区一般为混合断口。从裂纹扩展第Ⅱ阶段刚刚转入快速扩展时，断口局部通常会有少量的疲劳条带；但是断口的微观形貌主要表现为静载瞬时特征，较多的情况为韧窝，有时也可能出现准解理、解理和沿晶等形貌，具体的形貌与材料性质、载荷类型、环境条件等有关。

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