静载下的主要失效类型及其性能指标_其他静载下的力学性能

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题目： 零件在常温静载下的主要失效类型有哪些？

为防止这些不同的失效类型应分别选用哪些机械性能指标来评定金属？

失效：通常来说，将“产品丧失其规定功能的现象”称之为失效。

产品失效的后果是引发事故，甚至重大的或灾难性的事故，造成危害，甚至生命财产的巨大损失。例如，据美国1982年统计，因机械零件断裂、腐蚀和磨损失效，每年造成的经济损失达340亿美元，其中断裂失效造成的损失约为1190亿美元。在我国，机械零部件失效率也很高。1972年10月，一辆由齐齐哈尔开往富拉尔基的公共客车，行驶至嫩江大桥时因过小坑受到震动，前轴突然折断，致使客车坠入江中，造成28人死亡。1982年3月12日，一列火车在运行过程中由于车轮发生崩裂而引起列车倾覆。失效不仅会给人们带来巨大的直接经济损失，同时也会造成惊人的间接经济损失。

零件在常温静载下的主要失效类型有：过量弹性变形、塑性变形和断裂。

一、弹性变形：

1、定义：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形具有可逆性。

2、实质：概括的说是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。

3、性能指标：

（1）弹性模数（或弹性系数、弹性模量）：工程上被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。如拉伸时ζ=Eε，剪切时η=Gγ,E和G分别为拉伸时的杨氏模数和切变模数。

比弹性模数：是指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值，亦称“比模数”或“比刚度”，单位为m或cm。

在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用材料的弹性模量。在某些情况下，例如选择空间飞行器用的材料，为了既保证结构的刚度，又要求有较轻的质量，就要使用比弹性模量的概念作为衡量材料弹性性能的指标。

影响弹性模量的因素：材料的弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模数。

a 键合方式和原子结构，共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数；分子键结合力较弱，高分子聚合物的弹性模数亦较低。原子半径越大，E值越小，反之亦然；过渡元素都有较高的弹性模数，因为原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力所致。

b 单晶材料的弹性模数在不同晶体学方向上呈各向异性，即沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。

c 与金属相比，合金的弹性模数将随组成元素的质量分数(ω)、晶体结构和组织状态的变化而变化，对于固溶合金，弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。

d 对于金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对E值无影响。因此，作为金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。e 一般来说，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模数降低。

f 加载方式（多向应力）、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模数几乎没有影响。

（2）比例极限ζp：是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力，即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的应力值，其表达式为

ζp=Fp／A0

式中：Fp为比例极限对应的试验力，A0为试棒的原始截面面积。

弹性极限ζe：是材料由弹性变形过渡到弹——塑性变形时代的应力，应力超过弹性极限以后，材料便开始产生塑性变形，其表达式为

ζe= Fe／A0

式中：Fe为弹性极限对应的试验力，A0为试棒的原始截面面积。

ζp、ζe的工程意义是：对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以比例极限作为选择材料的依据；对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。

（3）弹性比功ae：又称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。材料拉伸时的弹性比功可用应力-应变曲线下的面积表示，即

ae=1/2ζeεe=ζe2/2E 式中：εe为与弹性极限对应的弹性应变。

二、塑性变形

1、材料的塑性变形时微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。

2、金属材料的塑性变形机理，常见的为晶体的滑移和孪生两种。滑移是金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。孪生也是金属晶体在切变应力作用下产生的一种塑性变形方式。

3、性能指标：

（1）屈服强度ζs：材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力，这一应力值称为材料的屈服强度或屈服点。

材料的屈服标志着材料在应力作用下由弹性变形转为弹-塑性变形状态。对具有明显屈服点的材料，屈服平台对应的应力值就是屈服强度，按下式计算：

ζs=Py/A0

式中，Py为物理屈服时的载荷或下屈服点对应的载荷。

对无明显屈服点材料，以规定发生一定的残留变形为标准，即卸载后，其标距部分的残余伸长达到规定比例时的应力，如规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为屈服强度，用ζ0.2表示。

屈服强度是工程技术上最重要的力学性能指标之一。实际意义是：作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；根据屈服强度与抗拉强度之比的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。

影响屈服强度的因素： a 金属本性及晶格类型：

点阵阻力（派-纳力）一个位错在晶体中运动所需克服的阻力，即

W为位错宽度，W大，派纳力小，位错易动。如fcc晶体的W大，派纳力小，位错易滑动，bcc金属，W小，派纳力大，位错不易滑动。

位错交互作用力 ：

位错密度增加，临界切应力增加，屈服应力增加。如剧烈冷变形位错密度增加4-5个数量级，产生的形变强化。

b 晶界与亚结构——细晶强化： 晶界阻力，ζ0，位错在晶体中运动的总阻力；d，多晶体各晶粒的平均直径；Ky，钉扎系数，表示晶界对强度影响程度的常数。Ky值越大，细晶强化效果越好，如bcc金属。细晶强化是金属强韧化的有效手段。细晶强化机制：d减小将增加位错运动障碍的数目；减小晶内位错塞积群长度和数量。

c 溶质元素——固溶强化：机理是溶质原子与位错产生的交互作用——弹性交互作用、电交互作用、化学交互作用等。第二相——析出强化，弥散强化，沉淀强化：弥散型，不可变形质点和可变形质点；聚合型，块状第二相。

d 温度：一般，温度升高，金属材料的屈服强度下降，bcc金属的屈服强度具有强烈的温度效应，与派纳力有关。

e 应变速率与应力状态：在应变速率较高情况下，材料屈服强度将显著提高；应力状态，切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低，如扭转测得的屈服强度低于单向拉伸。金属材料的屈服强度是一个对成分、组织、结构、温度、应力状态敏感的力学性能指标，可通过合金化、相变、形变等手段改变。

（2）应变硬化指数：从屈服点到颈缩之间的形变强化规律，可以用Hollomon公式描述：，K为强度系数，n为应变强化指数，反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化的性能指标。n=0，理想塑性材料；n=1，理想弹性材料。n=0.1~0.5，应变强化指数n的大小，表示材料的应变强化能力或对进一步塑性变形的抗力，是一个很有意义的性能指标。

（3）抗拉强度：是拉伸试验时，试样拉断过程中最大实验力所对应得应力。其值等于最大拉应力Fb除以试样的原始截面积A0，抗拉强度用ζb表示，即

ζb=Fb/ A0

抗拉强度是材料的重要力学性能指标之一，标志着材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力。

缩颈是在应变硬化与截面积减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生的。缩颈形成点对应于工程应力——应变曲线上的最大载荷点，因此dF=0。缩颈的工程应力为

ζb=K（n/e）n

上式表明，缩颈应力唯一地依赖于材料的应变硬化系数K和应变硬化指数n。金属材料拉伸时，是否产生缩颈还与其应变速率敏感指数m有关。若m值低，则在一定温度和应变条件下流变应力较低，可以产生缩颈；反之，m值高时，可推迟或阻止缩颈的产生。

（4）断后伸长率：断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用δ表示，δ=（L1－L0）／L0×100%。

断面收缩率：断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符合ψ表示，ψ=(A0－A1)／A0×100% 式中，A0为试样原始横截面积；A1为颈处最小横截面积。

三、断裂：

1、定义：固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。

2、按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，分为脆性断裂和韧性断裂。韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程，韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。而脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。

3、性能指标：

材料强度是材料抵抗外力作用时所表现出来的一种性质，决定材料强度的最基本的因素是分子、原子（离子）之间结合力。

（1）理论断裂强度ζm：在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论断裂强度，表达式为

ζm=（Eγs／a0）1/2

（2）真实断裂强度Sk：是用单向静拉伸时的实际断裂拉伸力Fk除以试样最终断裂截面积Ak所得应力值，即Sk=Fk／Ak。

如果断口平齐，断裂前不发生塑性变形或塑性变形很小，没有缩颈产生，材料发生脆性断裂，则Sk=ζb.在这种情况下，Sk也代表材料的实际断裂强度ζc，表征材料对正断的抗力大小，例如陶瓷、玻璃、淬火工具钢及某些脆性高分子材料等。

（3）静力韧度a：材料抵抗静拉伸条件下的韧性的大小。其数学表达式可用材料拉断后的真应力——真应变曲线求得，a=（Sk2－ζ0.22）／2D 式中，D为形变强化模数。

静力韧度对于按屈服应力设计，但在服役中不可避免地存在偶然过载的机件，如链条、拉杆、吊钩等是必须考虑的重要的力学性能指标。

脆断失效实例：钢制油罐车因焊接缺陷而引起低温脆断

某铁路油罐车在-34℃运行过程中在底梁和罩体连接处断裂，裂纹起源于底梁支撑件两侧的厚6.3mm的前盖板和厚16mm的侧支撑板之间的焊缝，裂纹形成后向上呈脆性扩展，穿过侧支撑板，通过厚25mm的外罩板和侧撑板之间的焊缝，长达20cm多，断口上有“人”字花样，逆指向裂纹源。仔细检查裂纹源处焊缝，发现有未熔合，焊缝热影响区有表面裂纹等缺陷。材质检查表明钢的化学成分符合ASTM A212 B级。对外罩板和侧支撑板进行的缺口冲击试验测出21 J脆性转变温度分别为-7~-5℃和-1~ 5℃，外罩板零延性转变温度NDT＝5~10℃。因此得出结论认为断裂起始于焊接缺陷，属于低温脆性断裂，其原因为钢材脆性转变温度太高，结构工作温度低于钢材脆性转变温度。根据技术规范，对钢材韧性的要求，21 J脆性转变温度为-46℃的钢材适合该结构用钢要求，因此，应更换材料。另外，为减少焊接缺陷，应改善焊接工艺和检验方法。