静载下的主要失效类型及其性能指标

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1、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。19

2、82 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

3、，则在相同应力下产生的弹性变形就 愈小。如拉伸时 =E，剪切时 =G,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

4、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()、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

5、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 p：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p=FpA0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 e：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e= FeA0式中

6、：Fe为弹性极限对应的试验力，A0为试棒的原始截面面积。p、e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=1/2ee=e2/2E式中：e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

7、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 s：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：s=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

8、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 0.2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

9、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， 0，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

10、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

11、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=0.10.5，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 b表示，即b=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

12、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b=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 表示，=（L1L0）L0100% 。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 表示，=(A0A1)A0100%式中，A0为试样原始横

13、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 m：在外加正应

14、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m=（Esa0）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=FkAk 。 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=b.在这种情况下，Sk也代表材料的实际断裂强度c，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=（Sk20.22）2D 式

15、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 NDT510。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。