第二章材料的力學(xué)性能

第二章材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是關(guān)于材料強(qiáng)度的一門科學(xué)，主要研究材料在外力作用下的力學(xué)行為、物理本質(zhì)和評(píng)定方法。本章我們首先學(xué)習(xí)材料的力學(xué)性能，然后介紹不同類型的失效。第一節(jié)彈性變形一、胡克定律物體在受到外力作用之后發(fā)生形態(tài)變化，若除去作用力之后并能夠恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)叫做彈性。當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變就稱為應(yīng)變。物體由于外因(受力、濕度、溫度場(chǎng)變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置恢復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。在理想的彈性體，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是線性的，但對(duì)于大多數(shù)固體材料，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是比較復(fù)雜的。

胡克定律是力學(xué)基本定律之一，適用于一切固體材料的彈性定律，它指出：在彈性限度內(nèi)，物體的形變跟引起形變的外力成正比。這個(gè)定律是英國科學(xué)家胡克發(fā)現(xiàn)的，所以叫做胡克定律。垂直于截面的應(yīng)力分量稱為正應(yīng)力(或法向應(yīng)力)，用σ表示；相切于截面的應(yīng)力分量稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力，用τ表示。單向拉伸狀態(tài)下，胡克定律表示為：剪切狀態(tài)下，胡克定律表示為：（E為楊氏模量）（G為切變模量）胡克定律應(yīng)用的一個(gè)常見例子是彈簧。在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力和彈簧的長(zhǎng)度變化量成線性關(guān)系，即：

式中k是彈簧的勁度系數(shù)（或稱為倔強(qiáng)系數(shù)），它由彈簧材料的性質(zhì)和幾何外形所決定，負(fù)號(hào)表示彈簧所產(chǎn)生的彈力與其伸長(zhǎng)（或壓縮）的方向相反。彈性模量被稱為材料的剛度，表征材料對(duì)彈性變形的力，所以彈性模量越大，相同應(yīng)力下材料產(chǎn)生的變形就越小?！皬椥阅Ａ俊笔敲枋鑫镔|(zhì)彈性的一個(gè)物理量，是一個(gè)總稱，包括“楊氏模量”、“剪切模量””、“體積模量”等。楊氏模量——正應(yīng)力與正應(yīng)變的比值；剪切模量——切應(yīng)力與切應(yīng)變的比值體積模量——壓力與體積變化的比值材

料E/GPa結(jié)合鍵軟鋼207金屬鍵鑄鐵170～190金屬鍵銅110金屬鍵鋁69金屬鍵鎢410金屬鍵金剛石1140共價(jià)鍵Al2O3400離子鍵低密度聚乙烯0.2范德華鍵天然橡膠0.003～0.006范德華鍵表2-1一些工程材料的彈性模量和鍵型彈性比功表示材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比能或應(yīng)變比能。彈性比功對(duì)于研究或理解大件的脆性斷裂問題很有意義。拉伸時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性變形階段下的面積代表彈性比功的大小，如圖2-1中的陰影面積。二、彈性比功圖2-1彈性比功ae為彈性比功e為彈性極限e最大彈性應(yīng)變ae/MJ材料E/MPa/MPa

m－3高碳彈簧鋼2100009650.22865Mn～20000013804.76155Si2Mn～20000014805.476不銹鋼（冷軋）～20000010002.5鈹青銅1200005881.44磷青銅1010004501.0橡膠122表2-2幾種彈性材料的彈性比功第二節(jié)塑性變形

塑性：指在外力作用下，材料能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。對(duì)大多數(shù)的工程材料，當(dāng)其應(yīng)力低于比例極限（彈性極限）時(shí)，應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是線性的，表現(xiàn)為彈性行為。而應(yīng)力超過彈性極限后，發(fā)生的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。彈性變形可逆，塑性變形不可逆。

強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度，它是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)。按外力作用的性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。屈服強(qiáng)度：指材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，是抵抗塑性變形時(shí)，材料屈服的臨界應(yīng)力值。

注：當(dāng)外力超過物體彈性極限，達(dá)到某一點(diǎn)后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度或屈服應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度：試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。彈性階段彈性極限P屈服階段屈服極限S強(qiáng)化階段強(qiáng)度極限B頸縮階段材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

脆性：材料在外力作用下(如拉伸、沖擊等)僅產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的性質(zhì)。韌性：指材料在承受應(yīng)力時(shí)對(duì)折斷的抵抗，或者說在沖擊載荷作用下不被破壞的能力，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性的材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率、抗沖擊強(qiáng)度較大，硬度、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量相對(duì)較小。

硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對(duì)外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標(biāo)。剛度是抵抗變形的能力，強(qiáng)度是抵抗破壞的能力，硬度是侵入其它物體的能力（也是不被其它物體侵入的能力）。剛度是強(qiáng)調(diào)不變形，或變形小，如機(jī)床的主軸等。強(qiáng)度是強(qiáng)調(diào)可靠性，即不能失效。硬度是強(qiáng)調(diào)侵入和反侵入的能力，如，夾具用的墊塊、鉆模套等，還有刀具等。剛度：機(jī)械零件和構(gòu)件抵抗變形的能力，單位牛頓每米(N/m)。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度：載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度，動(dòng)載荷下抵抗變形的能力稱為動(dòng)剛度。

金屬室溫塑性變形主要以滑移和孿生兩種方式進(jìn)行。實(shí)際金屬材料多為多晶體。但多晶體的塑變與組成它的各晶粒的變形有關(guān)。一、單晶體塑變機(jī)制

⑴定義:滑移是在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。正應(yīng)力σ僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶體拉斷；切應(yīng)力τ

使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。1、滑移晶體在切應(yīng)力作用下的變形①滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生⑵滑移變形具有以下特點(diǎn):②滑移時(shí)兩部分晶體的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)倍滑移面間距示意圖滑移的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！因?yàn)槊芘琶嬷g和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結(jié)合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對(duì)的滑動(dòng)。③滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生

將金屬試樣拋光后進(jìn)行適量的塑性變形，在普通金相顯微鏡下觀察，會(huì)看到試樣的表面有許多平行的變形痕跡，這些變形痕跡叫做“滑移帶”。每條滑移帶是由若干有滑移臺(tái)階的滑移線構(gòu)成。④晶體的滑移造成滑移帶

拉伸時(shí)，滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向

壓縮時(shí)，滑移面逐漸趨于垂直于壓力軸線。⑤滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)⑶滑移系定義滑移總是沿一定晶面和晶向發(fā)生，它們分別稱為滑移面（密排面）和滑移方向（密排方向）。一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移系也不同。

圖2-7三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系a）體心立方b）面心立方c）密排六方

滑移方向的數(shù)目比滑移面的作用更大。體心立方和面心立方都有12個(gè)滑移系，但面心立方晶體的滑移方向多，塑性更好。圖2-7三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系a）體心立方b）面心立方c）密排六方

金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)是晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移的結(jié)果。在切向應(yīng)力作用下，晶體的一部分與另一部分沿著一定的晶面產(chǎn)生相對(duì)滑移（該面稱滑移面），從而造成晶體的塑性變形。當(dāng)外力繼續(xù)作用或增大時(shí)，晶體還將在另外的滑移面上發(fā)生滑移，使變形繼續(xù)進(jìn)行，因而得到一定的變形量。

⑷滑移機(jī)理:要實(shí)現(xiàn)這種滑移所需的外力要比試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)多3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，這說明實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)及其塑性變形并不完全如此。原因是上述理論所描述的滑移運(yùn)動(dòng)是建立在理想晶體中，滑移運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于滑移面上下兩部分晶體彼此以剛性整體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。實(shí)際晶體內(nèi)部存在大量缺陷，其中以位錯(cuò)對(duì)金屬塑性變形的影響最為明顯。由于位錯(cuò)的存在，部分原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在比理論值低得多的切應(yīng)力作用下，處于高能位的原子很容易從一個(gè)相對(duì)平衡的位置上移動(dòng)到另一個(gè)位置上，形成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)晶體的塑性變形。所以可以說滑移是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成的（滑移位錯(cuò)機(jī)制）2、孿生圖2-10面心立方晶體孿生變形示意圖a）孿生方向與孿晶面b）孿生時(shí)原子切變過程在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（孿晶面）和一定晶相（孿生方向）相對(duì)于另一部分做均勻的切變所產(chǎn)生的變形。晶體滑移變形孿生變形2、孿生在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（孿晶面）和一定晶相（孿生方向）相對(duì)于另一部分做均勻的切變所產(chǎn)生的變形。①孿生：均勻切變；

滑移：塑性變形是不均勺的。②孿生：孿生區(qū)域內(nèi)原子沿孿生方向的移動(dòng)量通常只是原子間距的幾分之一；

滑移：變形時(shí)，滑移距離則是原于間距的整倍數(shù)。③孿生：晶體變形部分的位向發(fā)生變化，并且相對(duì)于孿晶面與未變形部分對(duì)稱；

滑移：晶體位向并不發(fā)生變化。④孿生和滑移一樣并不改變晶體的點(diǎn)陣類型。⑤孿生臨界分切應(yīng)力值大，因此，只在很難滑移的條件下，晶體才發(fā)生孿生?；葡瞪俚拿芘帕浇饘?，常以孿生方式變形。

孿生與滑移的對(duì)比

孿生與滑移的對(duì)比孿生變形產(chǎn)生的塑性變形量一般不超過10％，但是孿生使晶體位向發(fā)生變化，從而引起滑移系取向變化，能促進(jìn)滑移的發(fā)生。往往孿生與滑移交替發(fā)生，即可獲得較大的塑性變形量。

通常使用的金屬都是由大量微小晶粒組成的多晶體。其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個(gè)晶粒產(chǎn)生變形(稱為晶內(nèi)變形)的綜合效果。同時(shí)，晶粒之間也有滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)(稱為晶間變形)。

3.1單晶體和多晶體的塑性變形二、多晶體塑變機(jī)制

多晶體金屬在外力的作用下：處于軟位向（晶向與外力成45°或接近45°）的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬位向（晶向與外力∥或⊥）的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。隨著外力的增大，硬位向晶粒滿足滑移的臨界應(yīng)力，產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)均勻的塑性變形。⑴主要影響因素：位向、晶界①位向：晶界對(duì)晶粒變形具有阻礙作用。雙晶粒拉伸試樣變形后在晶界處呈竹節(jié)狀。每個(gè)晶粒中的滑移帶均終止于晶界附近，晶界附近位錯(cuò)塞積。位錯(cuò)塞積密度增高，材料強(qiáng)度提高。因此，晶粒越細(xì)，晶界越多，材料強(qiáng)度越高。②晶界：晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高

原因：晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。晶粒越細(xì)，塑性越高

原因：晶粒越多，總變形量被分散到更多晶粒內(nèi)，不至產(chǎn)生太大的應(yīng)力集中導(dǎo)致晶體破壞，表現(xiàn)出高塑性。晶粒越細(xì)，韌性越高

原因：細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，表現(xiàn)出高韌性。

3.1單晶體和多晶體的塑性變形⑵晶粒度對(duì)材料性能的影響鋅的單晶和多晶的拉伸曲線對(duì)于同一材料，相同粒度的多晶體要比單晶體強(qiáng)度高，但塑性比單晶體低。①在強(qiáng)度方面：多晶體晶界多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力大，所以強(qiáng)度高。②在塑性方面：多晶體中各個(gè)晶粒的取向不同，在外力作用下，位錯(cuò)塞積在晶界附近，所以整個(gè)晶粒的變形便受到約束。相對(duì)于單晶體，多晶的變形要困難得多。原因：三、金屬的強(qiáng)化機(jī)制

(一)細(xì)晶強(qiáng)化圖2-13wC=0.15%的低碳鋼的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系利用細(xì)化晶粒提高金屬材料強(qiáng)度的方法叫細(xì)晶強(qiáng)化。屈服強(qiáng)度與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈直線關(guān)系，這就是著名的霍爾-派奇關(guān)系。利用位錯(cuò)塞積理論可導(dǎo)出霍爾-派奇（Hall-Petch）關(guān)系

(二)固溶強(qiáng)化圖2-14低碳鐵素體固溶強(qiáng)化效果示意圖合金元素溶入基體金屬中可得到單相固溶體合金，如能有效提高其屈服強(qiáng)度，被稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻。(三)應(yīng)變硬化圖2-15常見三種金屬晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)外力超過金屬材料屈服強(qiáng)度后，就要產(chǎn)生塑性變形，要使變形得以持續(xù)進(jìn)行，必須增加外力，這表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑變的能力，這就是應(yīng)變硬化（加工硬化）。多晶體在均勻變形階段的真應(yīng)力與真應(yīng)變關(guān)系符合Hollomon公式

S為真應(yīng)力，e為真應(yīng)變，K為強(qiáng)度系數(shù)，n形變強(qiáng)化指數(shù)。第三節(jié)靜載力學(xué)性能一、單向靜力拉伸單向靜力拉伸實(shí)驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法之一。金屬拉伸試樣尺寸可參考GB6397-86。通常采用標(biāo)準(zhǔn)光滑圓柱試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。除可測(cè)定彈性變形階段的力性指標(biāo)外，還可測(cè)定材料的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。1、工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線與拉伸力學(xué)性能圖2-16材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線a）低碳鋼b）1-鑄鐵；2-黃銅縱坐標(biāo)為工程應(yīng)力用表示，=P/A0

，式中P為載荷，A0為原始截面面積，應(yīng)力單位為MPa；橫作標(biāo)為工程應(yīng)變用表示，=l/l0，式中，l為試樣兩標(biāo)距間絕對(duì)伸長(zhǎng)，l0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。1.工作條件

標(biāo)準(zhǔn)試件（GB6397-86

），常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%－0.3%的低碳鋼。標(biāo)準(zhǔn)試件：l0/d=5、10(l0-標(biāo)距,d--直徑)d靜力單向拉伸時(shí)的性能測(cè)試2.階段劃分A.有屈服點(diǎn)鋼材σ--ε曲線可以分為五個(gè)階段：

(1)彈性階段(OB段)OBCDAE（2）彈塑性階段（BC)

該段很短,表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì);

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服點(diǎn))（3）塑性階段（CD)OBCDAE

該段σ基本保持不變（水平),ε急劇增大,稱為屈服階段,變形模量E=0。（4）強(qiáng)化階段(DE段)極限抗拉強(qiáng)度fu（5）頸縮階段(EF段)隨荷載的增加σ緩慢增大,但ε增加較快OBCDAE這種鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形很小，破壞突然。fy=f0.20.2%fuεpB.對(duì)無明顯屈服點(diǎn)的鋼材3.單向拉伸時(shí)鋼材的機(jī)械性能指標(biāo)

（1）屈服強(qiáng)度fy--應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo)。（2）抗拉強(qiáng)度fu--應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是鋼材最大的抗拉強(qiáng)度。（3）伸長(zhǎng)率（4）斷面收縮率它是衡量鋼材塑性應(yīng)變能力的重要指標(biāo)。當(dāng)l0/d=5時(shí)，用δ5表示，當(dāng)l0/d=10時(shí)，用δ10表示。A0A1（三）屈服現(xiàn)象的本質(zhì)

屈服強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)成分、組織結(jié)構(gòu)十分敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。凡是影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素均對(duì)屈服強(qiáng)度有影響。除金屬的晶體結(jié)構(gòu)影響屈服強(qiáng)度外，變形溫度、變形速率和應(yīng)力狀態(tài)等外部因素對(duì)屈服強(qiáng)度也有重要影響。例如降低溫度可使體心立方金屬的屈服強(qiáng)度急劇升高；提高應(yīng)變速率也可明顯提高材料屈服強(qiáng)度。當(dāng)材料變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小，塑變時(shí)位錯(cuò)增殖速度很快，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈依賴關(guān)系時(shí)，屈服現(xiàn)象明顯。

三、硬度(一)布氏硬度圖2-25布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理將直徑為D（mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以一定載荷F（kgf）(1kgf=9.8N)壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸載，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑d（mm），求得球冠形壓痕面積S。定義試樣的布氏硬度為Dh為球冠形壓痕面積，其中h=布氏硬度的單位為kg/mm2

洛氏硬度（HR）測(cè)試當(dāng)被測(cè)樣品過小或者布氏硬度大于450時(shí)，就改用洛氏硬度計(jì)量。試驗(yàn)方法是用一個(gè)頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm/3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測(cè)材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。(二)洛氏硬度洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法是由美國人S.P.Rockwell和H.M.Rockwel于1919年提出的，也是目前常用的硬度實(shí)驗(yàn)法之一。圖2-27洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理它是以所測(cè)量的壓痕深度大小來表示硬度值。洛氏硬度值的計(jì)算公式

k是常數(shù)，使用金剛石壓頭時(shí)，多用于較硬的材料，k=0.2mm；使用淬火鋼球時(shí)，多用于較軟的材料，一般壓痕較深，為防止硬度值出現(xiàn)零或負(fù)值，取k=0.26mm。規(guī)定0.002mm為一個(gè)硬度單位。標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭類型初載荷P0/N主載荷P1/N測(cè)量硬度范圍應(yīng)用舉例AHRA金剛石圓錐98.07490.320～88硬質(zhì)合金、硬化鋼板等BHRB1.588鋼球882.620～100有色金屬、軟鋼等CHRC金剛石圓錐137320～70熱處理工具鋼和結(jié)構(gòu)鋼表2-6洛氏硬度實(shí)驗(yàn)的標(biāo)尺、實(shí)驗(yàn)規(guī)范及應(yīng)用范圍第五節(jié)失效

裝備和構(gòu)件在使用過程中，由于應(yīng)力、時(shí)間、溫度、環(huán)境介質(zhì)和操作失誤等因素作用，失去其原有功能的現(xiàn)象叫失效。

失效程度嚴(yán)重事故零件部件機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)設(shè)備輕微失效中度失效xx失控/

爆炸等斷裂/應(yīng)力腐蝕開裂/氫脆等變形/

磨損/

輕微腐蝕等失效形式變形失效斷裂失效腐蝕失效磨損失效局部腐蝕失效均勻腐蝕失效疲勞斷裂失效韌性斷裂失效脆性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效高溫變形失效2/3/202356失效原因設(shè)計(jì)不合理，如工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練選材不當(dāng)及材料缺陷制造工藝不合理使用操作不當(dāng)和維護(hù)不當(dāng)一、變形失效1、金屬構(gòu)件的彈性變形失效②失去彈性功能的彈性變形失效指構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過構(gòu)件匹配所允許的值。判斷過量的彈性變形失效比較難。①過量的彈性變形失效當(dāng)彈性變形已不遵循變形可逆性的特征時(shí)，構(gòu)件就失去了彈性功能而失效。失去功能的彈性變形失效容易判斷,如彈簧被拉得很長(zhǎng);安全閥彈簧,壓力沒超壓,就把閥芯頂起。⑴彈性變形失效的形式選擇合適的材料或構(gòu)件結(jié)構(gòu)：選用E值高的材料或改善構(gòu)件結(jié)構(gòu)盡可能獲得大的剛度；確定適當(dāng)?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件；采用減少變形影響的連接件，如皮帶傳動(dòng)、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。⑵彈性變形失效的原因過載、超溫或材料變質(zhì)是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效的原因，而這些原因往往是由于構(gòu)件原設(shè)計(jì)的考慮不周、計(jì)算錯(cuò)誤或選材不當(dāng)造成的。⑶防護(hù)措施二塑性變形失效2、塑性變形失效⑴塑性變形⑵金屬塑性變形的特點(diǎn)材料中的應(yīng)力超過屈服極限后產(chǎn)生顯著的不可逆變形。材料塑性好壞的衡量指標(biāo)：伸長(zhǎng)率δ、斷面收縮率ψ不可逆性變形量不恒定慢速變形伴隨材料性能的變化⑶塑性變形失效的形式失效形式：鼓脹、橢圓度增大、翹曲、凹陷及歪扭畸變等。塑性變形失效：金屬構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形量超過允許的數(shù)值。

(a)未加壓的圓筒形

(b)塑性變形后的鼓脹及斷裂圖3-3承受內(nèi)壓的304不銹鋼塑性變形及斷裂試驗(yàn)合理選材，選擇合適的屈服強(qiáng)度，保證材料質(zhì)量、組織狀態(tài)及冶金缺陷；準(zhǔn)確地確定構(gòu)件的工作載荷，正確計(jì)算應(yīng)力，合理選取安全系數(shù)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平；嚴(yán)格按照加工工藝規(guī)程對(duì)構(gòu)件成形，減少殘余應(yīng)力；嚴(yán)禁構(gòu)件運(yùn)行超載；監(jiān)測(cè)腐蝕環(huán)境構(gòu)件強(qiáng)度尺寸的減小。⑷塑性變形失效的原因及防護(hù)措施3、高溫變形失效⑴蠕變變形失效高溫：高于0.3Tm(Tm是以絕對(duì)溫度表示的金屬材料的熔點(diǎn))，一般碳鋼構(gòu)件＞300℃，低合金鋼構(gòu)件＞400℃。蠕變：金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形。減速恒速加速圖3-4典型的蠕變曲線過熱管蠕變變形及脹裂⑵應(yīng)力松弛變形失效圖2-37金屬的應(yīng)力松弛曲線應(yīng)力松弛是在變形量恒定條件下，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，構(gòu)件的彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形使應(yīng)力不斷降低的過程。預(yù)防應(yīng)力松弛失效的措施：①選用應(yīng)力松弛穩(wěn)定性好的材料。②對(duì)正在服役的緊固件要進(jìn)行一次或多次的再緊固。但要注意每緊固一次，材料都將產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘余應(yīng)力有所下降，隨塑變總量的增加，材料最終會(huì)發(fā)生斷裂。二、斷裂失效斷裂是工程材料的主要失效形式之一。完全斷裂是材料在應(yīng)力作用下，被分為兩個(gè)或幾個(gè)部分；材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋則稱為不完全斷裂。1、韌性斷裂構(gòu)件斷裂前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。液氨管韌性斷裂失效⑴韌性斷裂特征①緩慢的斷裂過程：裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢；②斷前產(chǎn)生顯著的塑性變形；③兩種宏觀斷裂形貌：正斷(或平斷)---宏觀斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直；剪斷(或斜斷)---宏觀斷面取向與最大切應(yīng)力方向相一致的切斷，即與最大正應(yīng)力約呈45°角。圖2-39杯錐狀斷口形成示意圖a）頸所縮導(dǎo)致三向應(yīng)力b）微孔形成c）微孔長(zhǎng)大d）微孔連接呈鋸齒狀e）邊緣剪切斷裂軟鋼的光滑圓柱試樣的靜力拉伸斷裂是典型的韌性斷裂。其宏觀的斷口為杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)組成。⑵斷口宏觀形貌圖3-10光滑圓棒試樣韌性斷口宏觀形貌圖2-40平板矩形拉伸試樣宏觀斷口形態(tài)示意圖拉伸斷口三區(qū)的形態(tài)、大小和相對(duì)位置，因材料的性能、實(shí)驗(yàn)溫度、加載速度、試樣形狀等不同而發(fā)生變化。對(duì)于光滑平板矩形試樣，其斷口和圓柱試樣一樣，也有三區(qū)，所不同的是各區(qū)形態(tài)不同。其中纖維區(qū)變成“橢圓形”，而放射區(qū)變?yōu)椤叭俗中巍被?。人字的尖端指向裂紋源。最后破壞區(qū)仍為剪切唇區(qū)。圖3-48純剪切斷口

a）單滑移形成的切離b）多滑移形成的切離根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步評(píng)價(jià)材料的性能。纖維區(qū)較大---材料的塑性和韌性比較好；放射區(qū)較大---材料的塑性降低，而脆性增大。按三區(qū)評(píng)價(jià)材料性能要考慮構(gòu)件截面形狀及尺寸的影響，另外還要考慮隨環(huán)境條件的影響。如溫度降低、加載速度升高等，纖維區(qū)及剪切唇區(qū)減小、放射區(qū)增大；因溫度降低會(huì)引起低溫脆性；加載速度升高使裂紋擴(kuò)展速率增加。從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質(zhì)，有助于判斷失效的機(jī)理及找出失效的原因。脆性斷裂是材料在斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯的跡象，往往表現(xiàn)為突發(fā)的快速斷裂過程。如桿件脆斷時(shí)沒有明顯的伸長(zhǎng)或彎曲，更無縮頸，容器破裂時(shí)沒有直徑的增大及壁厚的減薄。2、脆性斷裂⑴脆性斷裂行為①脆性斷裂的步驟裂紋和缺陷的形成→裂紋或缺陷的擴(kuò)展②脆性斷裂的形式突發(fā)性斷裂：材料受力→斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應(yīng)力達(dá)到材料的結(jié)合強(qiáng)度→裂紋擴(kuò)展→引起周圍應(yīng)力再分配→裂紋的加速擴(kuò)展→突發(fā)性斷裂緩慢斷裂：材料受力→裂紋緩慢生長(zhǎng)→緩慢開裂裂紋的存在及其擴(kuò)展行為是導(dǎo)致脆性斷裂的根本原因，并決定材料抵抗斷裂的能力！脆性斷裂韌性斷裂⑵斷裂的斷口形貌⑶脆性斷裂種類①低應(yīng)力脆性斷裂(高/低強(qiáng)度鋼易發(fā)生)當(dāng)材料在應(yīng)力水平不高，甚至低于材料屈服極限的情況下所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。

20世紀(jì)50年代，美國發(fā)射北極星導(dǎo)彈，其固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，采用了超高強(qiáng)度鋼制造，屈服強(qiáng)度為1400MPa，按照傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與驗(yàn)收時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都符合要求，設(shè)計(jì)時(shí)的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，但點(diǎn)火不久，就發(fā)生了爆炸。原因：傳統(tǒng)力學(xué)把材料看成是均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的連續(xù)的理想固體，但是，實(shí)際工程材料在制備、加工（冶煉、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、冷加工等）及使用中（疲勞、沖擊、環(huán)境溫度等）都會(huì)產(chǎn)生各種缺陷（白點(diǎn)、氣孔、渣、未焊透、熱裂、冷裂、缺口等）。

缺陷和裂紋會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，所受拉應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍。過分集中的拉應(yīng)力如果超過材料的臨界拉應(yīng)力值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。低溫脆性指溫度低于某一溫度時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊值明顯下降的現(xiàn)象。我國東北許多礦山上用的進(jìn)口大型機(jī)械，在冬季就有低溫脆性引起的大梁、車架等斷裂現(xiàn)象。并不是所有的金屬材料都具有低溫脆性，只有以體心立方金屬為基的冷脆金屬才具有明顯的低溫脆性，而面心立方金屬?zèng)]有明顯的低溫脆性。②低溫脆性斷裂(中/低強(qiáng)度鋼易發(fā)生)體心立方Fe和面心立方Ni、Cu的塑性和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化

金屬的低溫脆性是由于金屬的屈服強(qiáng)度隨溫度降低而升高造成的。金屬材料脆性轉(zhuǎn)變的本質(zhì)是其塑性變形能力對(duì)溫度變化的反映。面心立方金屬中由于可用滑移方向足夠多，阻礙滑移的因素受溫度影響小，所以材料將保持足夠的變形能力而不表現(xiàn)出脆性斷裂。但是體心立方金屬，如鐵、鉻、鎢及其合金，在低溫條件下，間隙雜質(zhì)原子與位錯(cuò)和晶界相互作用的強(qiáng)度增加，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、封鎖滑移的作用加劇，使得對(duì)變形的適應(yīng)能力減弱。裂紋的存在及其擴(kuò)展行為決定了材料抵抗斷裂的能力。在臨界狀態(tài)下，斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應(yīng)力高于結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致突發(fā)性斷裂。當(dāng)裂紋尖端處的橫向拉應(yīng)力尚不足以引起擴(kuò)展，但在長(zhǎng)期受力情況下，會(huì)出現(xiàn)裂紋的緩慢生長(zhǎng)。如腐蝕環(huán)境中（氫氣，水），金屬和玻璃更容易出現(xiàn)緩慢開裂。⑷脆性斷裂特征——突發(fā)性斷裂與裂紋緩慢生長(zhǎng)4防止措施⑸預(yù)防脆性斷裂的途徑防脆性斷裂的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：應(yīng)考慮材料的斷裂韌性水平、構(gòu)件的最低工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)、承受的裁荷類型(交變載荷、沖擊載荷等)以及環(huán)境腐蝕介質(zhì)；構(gòu)件的最低工作溫度應(yīng)高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度；以斷裂力學(xué)觀點(diǎn)選材，除強(qiáng)度外，還應(yīng)保證足夠的韌性；設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，要避免應(yīng)力集中；采用正確的焊接方法和合理的焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。3、疲勞斷裂金屬構(gòu)件在交變載荷作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度，但經(jīng)歷一定循環(huán)周期后，由于累計(jì)損傷，而引起的斷裂現(xiàn)象叫疲勞斷裂。⑴疲勞斷裂的分類疲勞斷裂接觸疲勞高溫疲勞腐蝕疲勞微振疲勞環(huán)境高應(yīng)力疲勞低應(yīng)力疲勞應(yīng)力大小扭轉(zhuǎn)疲勞拉壓疲勞拉伸疲勞彎曲疲勞混合疲勞載荷低周疲勞高周疲勞交變頻率⑵疲勞過程—包括疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。①疲勞裂紋的萌生

疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷，工藝缺陷等。圖3-29滑移帶中產(chǎn)生的“擠入”及“擠出”示意②疲勞裂紋的擴(kuò)展是一個(gè)包括滑移塑性形變與不穩(wěn)定斷裂交替作用的復(fù)雜過程，通常有切向擴(kuò)展和正向擴(kuò)展兩個(gè)階段。圖3-30疲勞裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段(a)疲勞裂紋擴(kuò)展示意圖(b)螺栓實(shí)際使用中的疲勞裂紋軟鋼斷裂試樣(a)疲勞斷裂(b)靜拉伸斷裂③瞬時(shí)斷裂即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構(gòu)件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。⑶疲勞斷口形貌三個(gè)區(qū)域：裂紋起源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)(瞬斷區(qū))。①斷口的形貌圖2-61疲勞斷口的宏觀形貌a）疲勞斷口實(shí)物照片b）疲勞斷口三區(qū)示意圖★裂紋起源區(qū)★裂紋擴(kuò)展區(qū)呈河灘花樣(或貝殼狀條紋或疲勞弧帶)★最終斷裂區(qū)呈宏觀脆性斷裂特征(粗糙“晶?！苯Y(jié)構(gòu))疲勞源一般只有一個(gè)，所占的斷面比例很??；疲勞源一般位于表面應(yīng)力集中處或缺陷部位。表面缺陷：刀痕、劃傷、燒傷、銹蝕、淬火裂等；心部或