东莞金属材料的疲劳断裂是指材料在交变应力或循环载荷作用下（即使应力远低于屈服强度），经过一定次数的循环后，逐渐产生裂纹并扩展，导致断裂的现象。其核心原因是材料内部的微观缺陷在循环载荷下逐渐累积，形成宏观裂纹直至失效。以下是具体的成因分析：
一、疲劳断裂的主要原因
1. 交变应力的作用
应力特征：疲劳断裂的发生必须依赖于周期性变化的应力（拉伸 - 压缩、弯曲、扭转等），应力幅值和循环次数是关键因素。
应力集中：
构件几何形状突变（如缺口、孔洞、台阶、螺纹）、表面加工缺陷（刀痕、划痕）或内部缺陷（夹杂物、气孔）会导致局部应力显著高于平均应力，形成应力集中源，成为疲劳裂纹的萌生地。
例如：齿轮齿根的圆角半径过小、螺栓孔边缘的加工粗糙，均会加速疲劳裂纹的产生。
2. 材料内部缺陷
微观缺陷：
金属材料内部的夹杂物（如氧化物、硫化物）、气孔、晶粒边界、位错堆积等缺陷，会在循环载荷下引发局部塑性变形，逐渐形成微裂纹。
例如：钢中的硫化物夹杂物与基体结合力弱，易在循环应力下脱落形成微孔，成为裂纹起点。
晶粒结构：
晶粒粗大时，晶界面积小，裂纹容易沿晶界扩展；晶粒细小则晶界阻碍裂纹扩展，可提高疲劳强度（如细晶强化）。
3. 表面状态的影响
表面损伤：
表面磨损、腐蚀坑、氧化膜破裂等会破坏材料表面的完整性，形成应力集中点，加速疲劳裂纹萌生。
例如：海洋环境中金属构件表面被腐蚀后，腐蚀坑边缘易成为疲劳裂纹源。
表面加工质量：
磨削、抛光等工艺可降低表面粗糙度，减少应力集中；反之，粗糙表面（如铸造毛坯）会显著降低疲劳寿命。
4. 环境因素
腐蚀疲劳：
在腐蚀介质（如水、盐雾、酸液）中，金属表面发生化学反应形成腐蚀产物，同时循环应力加剧裂纹扩展，两者协同作用导致腐蚀疲劳强度远低于干燥环境下的疲劳强度。
例如：船舶螺旋桨、化工管道在腐蚀介质与振动载荷共同作用下易发生腐蚀疲劳断裂。
高温或低温影响：
高温下材料易发生蠕变，加速裂纹扩展；低温下材料韧性下降，裂纹扩展更敏感。
二、疲劳断裂的发展过程
疲劳断裂通常分为三个阶段，各阶段的机制与影响因素不同：
1. 裂纹萌生阶段
机制：
在循环应力作用下，材料表面或内部缺陷处发生局部塑性变形，形成滑移带（晶体滑移的微观痕迹），滑移带逐渐变宽变深形成微裂纹（长度通常＜100 μm）。
纯金属中，微裂纹多起源于 “驻留滑移带”（循环载荷下反复滑移形成的永久损伤）；合金中则常起源于第二相颗粒与基体的界面脱粘。
影响因素：应力幅值、表面粗糙度、材料纯度、晶粒尺寸。
2. 裂纹扩展阶段
机制：
微裂纹逐渐扩展为宏观裂纹，扩展路径分为两种：
穿晶扩展：裂纹穿过晶粒内部，是大多数金属疲劳断裂的主要方式，断口可见 “疲劳辉纹”（裂纹每一次扩展留下的微观条纹，如图所示）。
沿晶扩展：裂纹沿晶界扩展，常见于高温疲劳或晶界弱化的材料（如时效脆化的合金）。
影响因素：应力强度因子幅（ΔK）、材料韧性、腐蚀介质、温度。
3. 瞬时断裂阶段
机制：
当裂纹扩展至临界尺寸时，剩余截面无法承受载荷，发生突然脆性断裂。断口特征为：
疲劳区：裂纹缓慢扩展形成的光滑区域，可能有贝壳状条纹（宏观疲劳辉纹）；
瞬断区：粗糙的结晶状或纤维状区域，类似静载断裂的断口。
影响因素：材料的断裂韧性（K₁C）、剩余截面的应力状态（拉伸、剪切等）。
三、典型案例与预防措施
1. 典型案例
机械零件失效：汽车发动机曲轴、桥梁钢缆、航空发动机叶片等在长期振动载荷下易发生疲劳断裂。
历史事故：1954 年英国 “彗星” 客机因金属疲劳导致机身破裂坠毁，推动了疲劳断裂理论的研究与航空材料抗疲劳设计的发展。
2. 预防措施
优化结构设计：
避免尖角、骤变截面，采用圆滑过渡（如加大圆角半径）减少应力集中；
合理设计构件形状，使应力分布均匀（如等强度梁设计）。
改善材料质量：
采用高纯度冶炼工艺（如真空熔炼）减少夹杂物；
进行热处理（如表面淬火、渗碳）提高表面硬度和残余压应力，抑制裂纹萌生（如齿轮表面渗碳）。
表面强化处理：
喷丸处理：利用高速弹丸撞击表面，产生残余压应力（如汽车钢板弹簧喷丸）；
滚压加工：通过滚轮碾压表面，细化晶粒并降低粗糙度；
镀层保护：电镀或热喷涂耐腐蚀层（如镀铬），防止表面腐蚀引发疲劳。
控制使用环境：
避免金属构件长期暴露于腐蚀介质，或采取涂层防护（如油漆、电镀）；
定期检测关键部件（如桥梁、压力容器）的裂纹扩展情况，通过无损检测（超声、磁粉、涡流）早期发现隐患。
合理选择材料：
根据载荷性质（交变应力幅值、循环次数）选择疲劳强度匹配的材料，如高强度合金结构钢（40Cr、35CrMo）用于高载荷零件。
