弹簧裂纹的四个微观阶段

　　在分析弹簧疲劳断裂宏观断口形貌时，将其分为三个区域：弹簧疲劳源、裂纹扩展和瞬时断裂。但有人指出，宏观上已知的弹簧疲劳源区实际上包括裂纹在1mm以下的扩展过程。裂纹形核后，扩展到十分之几毫米的过程具有不同于随后裂纹扩展的特征。

　　因此，在对弹簧疲劳断裂的微观分析中，根据裂纹产生到断裂的微观特征，将整个过程分为四个阶段：裂纹萌生阶段、微裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段和瞬时断裂阶段。裂纹的萌生是局部剪应力作用的结果。在最大剪应力作用下，材料表层的位错运动将形成一个小的滑移带，滑移带的高度约为10-7cm。疲劳应力越大，滑移带数量越多，滑移带高度越大，这些滑移带最终将成为疲劳裂纹萌生的区域。在反复荷载作用下，相邻滑移面将产生反向滑移，疲劳滑移带将在弹簧表面形成沟槽和隆起，如图6-19所示。这些槽和脊的形状可以是锯齿形或平滑的圆形褶皱。如果有许多平面滑动，产生的条纹是浅而波浪状的。相反，只有少数紧密排列的平面在滑动，形成明显边界的间隙屏障。在某些情况下，您可以看到由反向滑动引起的定义良好的挤压区，并且通常可以在这些挤压区中看到无休止可检测的滑动区裂纹。这些滑移带裂缝很可能是反向滑移引起的侵入带。一旦侵入区形成，它将通过反向滑动作用而变深，这种扩展构成金属疲劳寿命的主要部分。

　　弹簧表面缺陷或材料内部缺陷都起到尖锐缺口的作用，促进应力集中，并促进疲劳裂纹的萌生。对实际构件疲劳断裂裂纹核心区的研究，主要是找出是否存在此类裂纹萌生缺陷，并确定其在裂纹形核中的作用，提出消除此类缺陷的方法。

　　疲劳裂纹一旦萌生，一般会沿与最大剪应力方向最为一致的滑动面向内扩展。只要毛发图案的膨胀沿滑动面进行，膨胀机理是一致的。这是微观裂纹扩展，通常被称为裂纹扩展的第一阶段。一般来说，第一阶段的裂纹扩展深度很浅，从十分之几到一毫米不等。只有镍基高温合金的疲劳破坏才能有更深的扩展，甚至可以占到整个断裂的75%以上。因此，对高温合金第一阶段断裂的微观特征研究较少。

　　裂纹在第一阶段扩展到一定长度后，由于裂纹尖端的主应力作用，将偏离其滑动路径，向大致与最大法向应力方向一致的方向扩展，即宏观裂纹扩展开始，通常称为疲劳裂纹扩展的第二阶段。

　　图6-20显示了疲劳裂纹扩展两个阶段的显微照片和示意图。