机械材料强度与机械失效

1、7 机械材料强度与机械失效7.1机械材料强度与零件强度7.1.1机械材料失效与机械零件失效所有机械零件在运转过程中，都在某种程度上承受着力和能量，以及温度，接触介质等的作用，使机械材料发生过量变形，破断、表面麻点剥落等失效现象，从而导致机械零件失效。因此，机械材料失效是机械零件失效的实质和先导。机械材料的失效分析是解决机械零件失效问题的先导。对于新设计的重要部件，有时需要对试制样品进行人为的超载破坏试验以获得安全或失效数据资料，只有把失效原因和全过程弄清楚，才能揭示其中存在的材料强度问题并寻求克服失效的途径。为了克服机械材料失效，必须掌握材料失效的客观规律。这就是：不同材料在各种外加载荷和环境

2、下发生的变形，破裂，断裂，表面麻点剥落等现象及其发展过程，以及随外在工作条件和材料内在因素而变异的规律。工作条件包括：承受载荷的性质（静载荷、冲击载荷、变载荷），加载次序（载荷谱），应力状态（拉、压、弯、剪、接触及各种复合应力），温度、环境介质（空气中水分，化学腐蚀、冲刷、磨损、微动腐蚀、粒子辐射）等。材料内在因素包括：化学成分，冶金质量，组织状态，精细结构，残余应力以及表面或内部缺陷等。由于这些内外因素的不同组合而造成机械材料失效。其中内因往往以材料强度来表征。材料在外力作用下，抵抗变形和破断失效的能力称为材料强度。通常以应力表示，即以单位面积上所承受的载荷表示，单位为兆帕（Mpa）或千克力

3、/毫米2（kgf/mm2）。 一般讲来，材料强度仅指材料在达到允许的变形程度或破断前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服极限、强度极限、疲劳极限、蠕变极限等。但实际上，材料强度作为失效抗力的综合表征，它与所有力学性能，包括弹性、塑性、硬度、韧性等以及在静、动载荷下材料对应力集中，尺寸大小，表面状态、温度、接触介质的敏感性等等有关。机械零件的强度，一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命，它是由许多因素决定的，其中结构因素，材料因素，加工工艺因素三方面起主要作用，使用因素对寿命也起很大作用。结构因素是指根据零件在整机中的作用与效能和结构强度所决定的形状，尺寸、以及与其它相连接零件的配合关系等。

4、工艺因素是指全部加工工艺过程对零件各部位的强度所产生的影响。材料因素是指零件所用材料的成分、组织、性能以及制成零件各部位的强度。这三种因素有各自独立的作用，又相互影响，在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面的因素。因此，材料强度是机械零件强度的基础；机械材料失效是机械零件失效的实质。7.1.2机械材料抗失效性能指标机械材料性能是研究机械材料抵抗机械零件失效的科学。从机械零件的具体工作条件出发，通过典型失效的分析，可以找出造成材料失效的主导因素，并确定衡量此种失效抗力的正确判据（强度指标）。针对这种对强度的特定要求选择最合适的材料成份及其组织状态，制定相应的工艺措施，并为设计提供正确的许

5、用应力。以期求得最经济合理的设计，生产出质量高、重量轻、寿命长的产品，这就是材料强度工作服务于机械制造的主要内容。人们经过长期的生产斗争和科学试验，已经建立并积累了许多反映各种失效抗力的材料强度指标。这些材料强度指标中有的能比较直观地看出其物理意义，并可以用于定量的设计计算，如屈服极限（5）、疲劳极限（-1）、蠕变极限（t/）、断裂韧性（K1CC）等，有的只能间接地估计它们对零件强度的作用，如延伸率（）、断面收缩率（）、和冲击韧性（ak）等。裂缝扩展速率da/dN是材料对亚临界裂缝扩展的抗失效性能指标，对于不可避免存在宏观缺陷的零件，为安全设计的重要依据，对于承受高周次疲劳经过机械加工的中小零

6、件，则发生裂缝的孕育期N，不可忽视。材料强度工作通过为设计及校核提供有针对性的材料强度指标，获得确切的许用应力及材料对应力集中，尺寸大小、表面状态。温度、介质、加载速度等敏感性数据而与结构设计联系起来；通过各种热、冷加工工艺及强化措施所产生的组织状态和残余应力等对材料强度的影响而与加工工艺联系起来，从而成为设计、材料、工艺三者之间联系的纽带。在结构因素和工艺因素基本恒定时，为了保证足够的零件强度，其最薄弱环节（即危险截面）的尺寸大小主要取决于该零件的材料强度；在零件的最薄弱环节的形状、尺寸一定时，其短时承受能力和使用寿命，主要取决于该部位的材料强度。因此，在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，

7、主要是材料强度决定着大多数零件的体积、重量和寿命。当遇到零件短时承受能力不足或使用寿命较短，早期失效的情况时，单纯地加大零件尺寸不但多消耗材料，增加产品重量和动力消耗，而且往往不能有效地提高零件的强度和寿命。特别是在表面应力较高，有局部应力集中，存在难以避免的缺陷，有介质腐蚀或机械微动腐蚀时，更是如此。此外，加大一个零件尺寸会影响其它零件并带来工艺装备，材料淬透性不足等问题。在这种情况下，所使用的材料的强度就成为矛盾的主要方面。常用材料强度数据，一般是用形状比较简单，尺寸较小的标准试样以较简单的加载方式取得的，在运用这类数据于实际零件的设计或校核时，需要考虑零件在工作中所承受的实际应力，应变幅

8、度和规定的有效寿命，安全裕度、尺寸、形状、表面等因素的影响。特别是设计在动载荷下运转的零件尤其需要注意。机械材料主要抗失效性能指标列于表7-17.2金属材料抗弹性变形失效指标7.2.1金属材料静载荷下失效四阶段所有机械零件在运转过程中，都在某种程度上承受着力和能量，以及温度，接触介质等的作用，使机械材料发生过量变形、破裂、断裂、表面麻点剥落等现象，从而导致机械零件失效。机械材料强度就是机械材料抵抗外加载荷不致失效的能力（简称失效抗力）。机械材料在加载荷逐渐增加抗失效的过程中，一般（例如金属材料）都要经历弹性变形、塑性变形、破裂和断裂四个阶段。弹性变形的外观特征是：当受载时即产生变形，外载卸除后

9、变形即自行消失。从内部结构来看，弹性变形乃是在外力作用下原子间距发生可逆变化的结果。塑性变形是机械材料在外加载荷除去后留下来的一部分不可恢复的变形（又称残余变形）。它和弹性变形的区别是：在弹性变形过程中，应力是应变的单值函数，而在塑性变形过程中则应力不再是应变的单值函数。金属材料的塑性变形是由于晶体内部的滑移、孪生（双晶）和晶体移动所造成的。鉴于实际金属材料是由无数个同一相或不同相的晶粒所组成的多晶体，各晶粒的取向不同且存在着晶界的约束，因此，塑性变形就往往具有一系列的特点：起始塑性变形的非同性（由于晶粒取向不同而造成滑移的起始不一致）；塑性变形的不均匀性（有些地方塑性变形两量大，有些地方塑性

10、变形量小）；塑性变形的时间性（塑性变形的大小不单纯地与应力有关，而且与加载历程和时间有关）；以及塑性变形过程伴随着材料机械性能和其他物理化学性能的改变，其中最重要的是变形强化。破断是当外力增大到局部超过材料的相对抗力时（例如当应力局部超过材料的真实强度极限，或应变局部超过材料的真实断裂应变时），就会发生材料从有限几何表面开始产生的局部分离。断裂是当裂缝扩展到材料有限几何尺寸的临界长度，开始失稳扩展而有效截面产生的完全分离。室温静应力下机械零件的失效，一般有两种情况：对于塑性材料，失效是指机械零件上最危险的应力达到屈服极限；对于脆性材料，失效是指最危险点的应力达到强度极限。应当指出，当机械零件最

11、危险的最大应力达到屈服极限时，并不一定是机械零件承载能力的机械状态，它还能承受更大的载荷。例如梁弯曲时，截面外层纤维达到屈服极限后，可继续加载，直到截面内外全进入塑性区时的承载能力才作为极限状态。按极限承载能力为基准的设计计算方法，称为极限设计。7.2.2金属材料弹性模量及影响因素表述机械材料抗弹性变形失效的强度指标主要有：弹性模量、比例极限和弹性极限。材料的弹性模量是在比例极限以下应力与相应应变之比。主要有拉压弹性模量（常简称弹性模量），剪切弹性模量（常简称切变模量）G和泊松比。对于多晶体材料而言，独立的弹性模量只有两个，这是因为、G和有下列关系；G = 在弹性变形阶段内，应力和应变均存在一

12、个比例阶段，即和Gr。由此可知，和G的物理意义是，材料产生单位应变（ 1 或 r = 1）时所需的应力大小，其量刚为a或gf/mm2。由于L和,当试样几何条件和载荷一定时，试样的弹性变形（和）就取决于和G，因此，弹性模量是反映材料刚性大小的力学性能。金属弹性模量与组成金属的原子结构、晶体点阵类型和点阵常数有着密切的关系。即式中：r-原子间距；R、m反映金属本性的常数。在整个弹性范围内，许多材料的应力应变关系不符合虎克定律，甚至在远低于弹性极限的应力下发生偏移。对于这些材料，在原点和在任何低应力下对应力应变曲线的正切斜率，从原点到任何一个应力应变曲线规定点作的正割和连接应力应变曲线上任何两个规定

13、点的弦通常也称为“弹性模量”。在这些情况下，模量被称为“正切模量”。“正割模量”或“弦模量”和在应力应变曲线中看到的一个点或几个点。这样，对应力应变关系不是直线而是曲线的材料则可用以下四个模量术语之一。正切模量：在任何规定应力或应变处应力应变曲线的斜率。正割模量：应力应变曲线上从原点到一规定点画出的正割的斜率。弦模量： 应力应变曲线上任意两个规定点画出的正割的斜率。起始正切模量：原点处应力应变曲线的斜率。此外，杨氏模量是在拉伸中模量或压缩中的模量。刚度模量是切变模量或扭转模量泊松比则是低于材料的比例极限下，由均匀分布的轴应力产生的横向应变对相应的轴应变之比的绝对值。超过比例极限，横向应变对轴应

14、变的比将取决于平均应力和测量的应变范围，因此不应认为是泊松比。某些纯金属的弹性模量列于表7-2金属弹性模量与组成金属的原子结构，晶体点阵类型和点阵常数有着密切的关系。即：式中：r-原子间距； -玻耳兹曼（L.B Dltznn）常数； M-电子质量（反映金属本性的常数）。温度能改变晶体的点阵常数，即温度升高，r增大，就减少。例如铁每升高1000C，下降约34；钢从250C加热到4500C时，下降20。在-50 500C的范围内，对机械制造中常有的金属材料而言，变化极小，可忽略不计。对于精密仪表用材料，可选一些弹性模量不随温度而改变的恒弹性合金。除温度外，其他如加载速度、合金化手段。热处理方式、冷

15、加工等对普通机械金属材料的弹性模量的影响都很小。常用机械材料的弹性模量列于表7-3。从表7-3中可以看出，各类材料的弹性模量相差非常大。金刚石与各类碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高；其次为氧化物陶瓷与难容金属、钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属（Cu、AL合金）则要低一些；高分子材料的弹性模量最低。因此在机械零件要求有较高刚度，而不能发生过大弹性变形致使弹性变形失效时，不能用高分子材料。同时，弹性模量是主要取决于材料基本的一种性能，对组织甚至成分的少许变化不敏感。例如对于钢铁，从最廉价的铸铁到高级合金钢，弹性模量的变化不大。因此在主要按刚性选材料，钢铁是最佳材料，而且不必选用高级钢材，只需采用

16、最便宜的铸铁或低碳钢就足够了。7.2.3金属材料弹性极限及影响因素比例极限是保证金属弹性变形按线性变化的最大抗力指标。对金属施加拉力，金属存在着力与变形成直线比例阶段，这个阶段的最大极限负荷Pp除以试棒的原横截面积，就得出比例极限值，而真实比例极限难以测定，实际测定的是规定某一个偏差量。如GB228-76规定，通过Pp点的切线与应力轴夹角的正切值较其在弹性直线部分之值增加50。所以，比例极限又称规定比例极限，条件比例极限，并用P表示，单位Kgf/mm2计算公式为： 式中：Pp相当于所求应力的负荷；F0原横截面积。金属受外力作用发生了变形，外力去掉后，能完全恢复原来形状，这种变形称为弹性变形。应

17、力完全卸除后，材料能够维持不产生任何永久变形的最大应力称为弹性极限。它是金属最大弹性变形（不产生塑性变形）的抗力指标。真实的弹性极限难以测定，实际是规定用产生某微量塑性变形（如b=0.005%来测定。弹性极限用表示，单位Kgf/mm2）。因此，比例极限和弹性极限都属于对微量塑变的抗力指标，所不同的是塑性变量规定的大小不同而已。7.3金属材料抗塑性变形失效指标7.3.1金属材料屈服强度及影响因素金属材料屈服强度是材料对应力-应变比例性显示的一个规定的极限偏离的应力，此偏离根据应变表示s。习惯上采用偏值法测量应变0.2的屈服强度，以0.2表示。计算公式为：x =Y/+规定的平移（变形）100式中：

18、x-极限应变（）；Y规定屈服强度（Kgf/mm2）；-材料弹性模量（Kgf/mm2）。金属材料屈服强度标记着金属材料对起始塑性变形的抗力。由于多晶体起始塑性变形的非同时性，所以s或0.2也是金属材料对微量塑性变形的抗力。屈服点或叫物理屈服强度，是试样在拉伸过程中，负荷不增加或开始有所降低而试样仍能继续变形时的恒定、最大或最小负荷除以原横截面积所得的应力，该应力则分别为试样的屈服点（s）、上屈服点（su）或下屈服点（sL）。一般地说，上屈服点受试验机及操作等各种外来因素（特别是拉伸速度）的影响较显著，而下屈服点受外来因素的影响较小。因此，对钢的性能来说，下屈服点较上屈服点稳定。当钢的拉伸曲线为图

19、7-1中曲线A类型时，一般应测定其下屈服点（通常简称为屈服点，并以s表示）。 图7-1 图解法求示意图屈服点单位为Mpa或Kgf/mm2。计算公式为: 屈服强度或叫条件屈服强度，是试样在拉伸过程中，标距部分残余伸长达到原标距长度的规定数值时之负荷除以原横截面积所得的应力。称为屈服强度。GB228-76规定以拉伸试样产生原标距长度的0.2，残余变形时所对应的应力作为屈服强度。故屈服强度常用0.2表示。当要求严格时，规定的残余变形数值也有用0.1及0.05等值的，屈服强度单位为公斤力/毫米2。计算公式为： 屈服强度0.2的测定有图解法和引申仪法两种。图7-1是图解法求0.2的示意图。把自动记录负荷

20、一伸长曲线的弹性变形阶段的延长线与坐标横轴的交点作为坐标原点，然后在横坐标轴上取0.2L。过点作线平行于负荷一伸长图的弹性形变部分，并与轴线交于点，则与点相对应的负荷值P0.2与试样原横截面积的比即为该试样的屈服强度0.2。由于一般试验机自动记录的“负荷一伸长”图之形变放大率达不到501，因而误差较大，故0.2的图解法用得较少。引申仪法按G228-76规定，有等级负荷法和控制伸长法两种。等级负荷法是以载荷为基础的反复加载方法。将试样装在试验机上，加以初应力05公斤（对于有色金属试样，0应不大于材料估计屈服强度的10），使试样被加紧，然后装上延伸仪。增加负荷，使20，并在此负荷下保持5-10秒钟

21、，看指针是否出现停止不动，跳动，移动过多等不正常现象，然后卸荷到0，并以此时引申仪之刻度为起始值。对试样施以一系列递增负荷，并在每一负荷值下保持5-10秒钟，然后卸荷到初应力0，观察试样的残余伸长，并将每一负荷值及与其对应的引申仪偏转分格（引申仪每分格示值不大于0.02毫米）和卸荷后残余变形记下，如此直到试样的残余伸长等于或大于0.2L。为止。即：第一次加载至P1=(7080)0.2A0(可取一整数值)，其中0.2为预计的屈服强度值；然后卸载至初载荷P0,读取残余变形量；此后按下式算出应加的载荷，逐次加载后卸载至0，并分别读取相应的变形量，直至残余变形量大于0.2为止。P0=P1+(n-1)s

22、。式中：s2Kgf/mm2； n = 1，2，3为加载次数。控制伸长法是以变形为基准的反复加载方法。其步骤是：加初应力0使试样被加紧，再加应力2。保持5-10秒钟，看试样机、引申仪是否正常，然后卸载到0，以此时引申仪指针所示刻度作为量度的起点。此后，操作人员以控制试样标距之总伸长量为主（即对试样施荷，使试样标距部分总伸长达到所要求之值）对试样逐次加荷。第一次加载至变形量AL0.2L。Le，读取载荷后卸载至P0,读取残余变形量，以后每次加载至变形量达到由下式算出的值时读取载荷，再卸载至P0，读取残余变形量，直至残余变形量Lr0.2L时为止。 (n = 1、2、3)式中：Le-弹性变形量，一般相当

23、于引申仪上12分格值； （Lr）I各次残余变形量；n-加载次数。根据以上两法的任一种实测数据，查出Lr时的对应载荷，即为P0.2。若需得更精确的值时，可用内插法。常见机械材料的屈服强度列于表7-4。屈服极限ss（对于屈服极限不明显的材料，规定产生0.2塑性变形时的应力值s0.2为屈服极限标志着金属对起始塑性变形的抗力。由于多晶体起始塑性变形的非同时性，所以ss(和s0.2)也是金属对微量塑性变形的抗力。.1影响屈服极限的内在因素是：（1）金属元素本性和晶体点阵类型的影响：这是决定屈服极限大小的最主要的因素。材料的不同，它的临界切变抗力ss（剪切屈服极限kgf/mm2）不同，因而屈服极限也就不同

24、。（2）相成分的影响：当纯金属内溶有异类元素的原子时，会提高剪切屈服强度ss从而提高了屈服极限ss。所以铁塑体晶粒的屈服极限ss比纯铁晶粒的高；合金铁素体晶粒的屈服极限ss比一般铁素体晶粒高。（3）晶粒大小的影响：金属基体相的晶体越细，不规则结构的晶界越多，多晶粒滑移的阻力就越大，从而金属的屈服极限也就越高。因此可以通过热处理细化晶粒来提高屈服极限ss。（4）第二相的影响：在复相合金中，若第二相与母相为非共格结合时，对屈服极限的影响较小。当第二相与母相之间为共格结合时，合金得到极有限的强化，其效果比单纯固溶强化显著。屈服极限ss的增高，除了两相结合的性质外，尚与第二相的数量，形状，大小和分布有

25、关。（5）冷加工的影响：金属基体相晶粒在冷加工时破碎成许多更细的晶块，即形成所谓亚结构时，其剪切屈服强度ts提高，从而提高了屈服强度ss。.2影响屈服极限的外在因素是：(1)温度的影响：温度升高，基体金属原子热振动增大，剪切屈服强度ts降低，所以屈服极限ss下降。图7-2为不同碳钢的屈服极限ss与温度的关系。（2）加载速度的影响：若加载速度小于塑性变形传播的速度，则对屈服极限ss无影响；反之，则塑性变形抗力提高。图7-3显示了这种影响。7.3.2金属材料硬度及影响因素金属材料硬度是金属材料对变形，尤其是塑性变形，压痕或划伤等表面损伤失效的抗力。不同硬度评定方法会给出不同的硬度值，因为它们测量材

26、料具有不同的量值和特性。没有绝对的硬度标尺；因此，为定量地表示硬度，每种类型的试验方法均有专用的规定硬度标尺。压痕硬度是在规定的静负荷条件下用一个规定的压头压力材料表面，从测量的压痕深度或面积评定硬度。主要有布氏硬度（HB），努氏硬度（HR），洛氏硬度（HRc）和维氏硬度（HV）等。布氏硬度与施加的负荷及球形压头压出的永久变形压痕表面积有关：式中：p-施加的负荷（公斤力）； D-球的直径（毫米）；d-压痕平均直径（毫米）。布氏硬度值后面带有符号HB而没有任何下标数字则表示下列试验条件：球的直径：10毫米；负荷：3000公斤加负荷时间：1015秒对其它条件，硬度数和符号HB之后按以下次序由表明试

27、验条件的数字补充：球的直径，负荷和加荷时间。努氏硬度与施加负荷和通过一个有172度30分和130度0分的夹边角的菱形基底棱锥金刚石压头压出的塑性变形投影面积有关： HK=p/0.07028d2式中：p-施加的负荷（公斤力）； d-压痕的长对角线（毫米）。所以，努氏硬度值应注明试验负荷。洛氏硬度是当负荷加到压头上，从一个固定的初负荷至一个主负荷然后返回到初负荷得到的压痕深度的净值推导出的数值。用于洛氏硬度试验的压有头包括具有0.20毫米半径球形顶角120夹角的金刚石圆锥体和几个规定直径的钢球。洛氏硬度值总是与代表压头，负荷和使用的度盘的标尺符号一起使用。锥氏硬度与施加的负荷和由一个面夹角为136

28、0的正方基锥体金刚石压头压出的塑性变形压痕表面积有关：HV = 2psin(a/2)/d2 =1.8544p/d2式中：p-施加的负荷（公斤力）；d-压痕平均对角线（毫米）； a-金刚石面角136度。当加荷时间与常规1015秒不同时，附在维氏棱锥硬度值后面符号 HV 之后此有表明负荷和指示加荷时间秒的下标值。金属材料各种硬度值对应关系列于表7-5。7.3.3金属材料形变强化及影响因素金属材料形变强化是对继续塑性变形的抗力。通过冷加工得到截面均一的产品和使零件在应力集中处产生应力重新分布，都要靠形变强化。它和热处理，合金化一样是改变金属机械性能的重要手段之一。实验指出，在均匀塑变阶段，材料的形变

29、强化能力是在变化的，它可以用真实应力应变的关系式S =n来表示。当n =1时，a = ；当n = 0 时，S = a 。一般材料的n在以下范围内。即0n1。实验测量n时，可以拉伸图pL的均匀塑变阶段内，取若干点计算出s和，然后S=(1+) s和=1n(1+)算出应力S和真应变，把它们点在双对数纸上，直线的斜率就是n（这是因为：1gS=1ga+n1g）。影响金属材料形变强化的主要因素是合金成份，组织，形变温度和形变量。7.3.4延伸率和断面收缩率意义及影响因素延伸率和断面收缩率是衡量金属静拉伸下塑性变形能力的指标。它们的定义是为变形过程中任意时刻的延伸率；和分别为均匀塑性变阶段，颈缩阶段和断后的

30、延伸率；为形变过程中任意时刻的断面收缩率；分别为均匀塑变阶段颈缩阶段和断后的断面收缩率。这些指标都是用试样的原标距长L0和原断面积A0计量的，称为条件塑性指标。实际变形过程中，L和A都在变化，因此，为进行深入研究，定义真实延伸率；真实断面收缩率。下面讨论这些指标间的关系。在均匀塑性变形阶段（1）条件塑性指标间的关系：在均匀塑性变形阶段，可以认为试样的体积保持不变，即A.L=A0L0。把L=L0+L=L0(1+)和A=A0-A=A0(1-)代入后得到：上述两式说明，在均匀塑变阶段，恒大于。（2）真实塑性指标间的关系：根据上述体积不变假设，A0/A=L/L0,两边取对数后即得：(3) 相互关系：在

31、均匀塑变阶段，条件塑性指标和真实塑性指标间的关系是：上述说明，在均匀塑变阶段，它们只是在形变量很小时才近似相等。计算表明，当或为30以下时，与的近似程度要比和来得高，从这一点来说，条件指标中比要真实得多。在颈缩变形阶段，由于材料发生了局部的、大量的塑性变形，塑变指标间的关系还值得进一步研究。也有人仍假说体积不变，从而它们的关系与均匀塑变阶段相同。对于实际测试和应用来说，一个较为重要的问题是，由于静缩变形的局部性，应该如何选择试样的L0，才能得到可以比较的k。实验指出，LB=L0，Lu=Y其中、均为材料的常数。于是：上式指出，同一材料不同L0和A0的两次试验应该满足：因此只有满足上式的不同几何尺

32、寸的试样，得到的k才能进行比较。GB228-76规定了R=11.3和5.65两种，在有静缩的情况下，k大于k，若某种材料的kk，则说明此材料只有均匀塑变而无颈缩。7.4金属材料抗破断失效指标7.4.1金属材料断裂抗力及影响因素机械产品的断裂失效是零件中的工作应力超过材料断裂强度的结果。材料的断裂强度条件包括抗拉强度（或叫强度极限）sb、真实抗拉强度Sb、正断抗力Sn、剪切强度极限和实际断裂强度Sk等。sb和Sb都是代表最大均匀塑性变形的抗力指标。sb是条件的，称为抗拉强度；Sb是真实的抗拉强度，它们之间的关系是： sb = Sb(1-B)式中：sb-抗拉强度（kgf/mm2）；Sb-真实抗拉强

33、度（kgf/mm2）； -真实断面收缩率（）；B-形变强化容量。可见只有在B很小时，sb才近似于Sb。必须指出，在无静缩的情况下，sb和Sn尽管不代表材料的断裂抗力，但因PB是试样实际的最大拉伸抗力，它是工程应用中很重要的一个指标。另外，在设计中常常对材料的屈强比即提出一定的要求，这是因为屈强比太高的材料，形变强化容量很小，承受过载的能力小；反之，如果屈服比过大，则有效承载能力减低。从应力应变曲线上可知，和的高低首先取决于（或）的高低，其次取决于（或）的大小和形变强化指数的大小。因此，和是一个非常活泼的机械性能指标。正断抗力是一个脆断强度指标，其大小首先取决于金属基体的键合强度；其次取决于金属

34、体积内的缺陷情况（宏观健全度和微观健全度）；再其次取决于金属显微组织中各组成体的最低强度相遇的机率。切断抗力是一个韧断强度指标，这个指标代表着实际晶体从抵抗滑移开始直到最后使晶体呈切断式断裂为止这一过程的全部抗力。7.4.2金属材料实际断裂强度及影响因素静拉伸下，实际断裂载荷除以当时的实际断裂面积即得到实际断裂强度。必须根据不同的实际断裂情况才能确定它的意义：（1）如果断裂前不发生塑性变形，断口齐平，则表明材料为正断式的脆断，（因为，现为正断式脆断，所以，）材料的塑性差，此时Sk即等于Sn。（2）如果断裂前发生了塑性变形，但无缩颈且断口齐平，则表明材料为正断式的韧性断裂。此时的基本上反映着正断

35、抗力Sn的大小，在数值上等于真实抗拉强度Sb。（3）如果断裂前发生了塑性变形，但无缩颈，或有缩颈但不严重，断口呈杯状，杯底齐平，且呈金属光泽，则这种断裂即有切断又有正断，是一种混合型的韧性断裂。（4）如果断裂前有塑性变形，并形成缩颈，断口呈杯状，杯底无金属光泽而呈暗灰色，且呈450锯齿状，则此种断裂为切断式的韧性断裂，说明。此时基本上反映着切断抗力tn的大小。材料的极限塑性越好，则杯底面积越小。7.4.3金属材料冲击抗力及影响因素以很大速度作用于机械零件上的载荷称为冲击载荷。由于冲击载荷的加载速度很高，作用时间很短，所以应力，应变往往以波的形式在零件内传播，在遇到界面时，还发生反射和干涉现象。

36、被冲击体常常产生局部变形和断裂，也可能产生层裂、纵裂、角裂等失效现象。在现代工程技术中，载荷所导致零件材料的相对应变速率（）大约在10-6106 1/S范围内。一般地说，相对应变速率在10-410-21/S时，金属材料的机械性能无明显变化，可按静载荷处理。冲击载荷带来的高速应变速率可使材料性能发生显著变化。屈服强度和抗拉强度一般随冲击速度的增大而增高，而且的增高更为明显。材料的正断强度（）对加载速度的变化不敏感，因此，当应变速率很高时，材料的屈服强度达到或接近脆断强度，材料将明显脆化。在冲击载荷下，材料对缺口很敏感。这是由于缺口的存在会造成能量分配不均，在邻近缺口薄弱截面的小区域内能量高度集中

37、，导致更高的缺口应力集中或应变集中，增大了材料的缺口敏感性。金属材料的冲击抗力，通常分为一次冲击抗力和多次冲击抗力两种。一次冲击抗力指标一般用材料的冲击韧性来表征。冲断标准试样所消耗的能量，称为冲击值。一般采用打锤冲击弯曲试验方法测得。冲击弯曲试验有横梁式和悬梁式两种施加弯矩的方式。横梁式冲击弯曲试验以夏氏型缺口，锁孔型缺口和梅氏型缺口三种应用最广。梅氏试样用Ak表示冲击值，单位为KJ/m2；夏氏型试样用CV或CVN表示冲击值。梅氏试样试验标准中规定，需将Ak除以试样缺口处的原始截面积F0（cm2），所得之商值（kgf.m/cm2）称为材料的冲击韧性，用aK表示。由于试样断裂所消耗的能量并不是

38、沿缺口截面均匀地消耗，所以不同尺寸试样的值之间没有普遍适用的相互换算关系。对于特定的材料，这种换算关系可通过试验来求得。冲击标准试样所消耗的能量，包括弹性变形功，塑性变功和裂缝扩展功总和，因此，不同材料的冲击值相同，但对其失效抗力的物理意义可能不同。影响钢材冲击韧性的因素主要有合金元素、晶粒尺寸、纤维方向、金相组织、表面和化学热处理及冶金缺陷等。合金元素对钢冲击韧性的影响如图7-4。降低终轧、终锻温度，可使奥氏体晶粒细化，提高钢的冲击韧性（见图7-5）。不同回火组织对钢冲击韧性的影响如图7-6 所示。对强度相等组织不同的钢，其冲击韧性以马氏体高温回火索氏体最好，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组

39、织最差（尤其当有自由铁素体折出时）。图7-4 合金元素对冲击韧性的影响 图7-5 锻压温度对冲击值的影响经压力加工的产品，其纵向冲击韧性优于横向冲击韧性，特别在钢中含S量较多而有大量硫化物时更明显（见图7-7）。图7-6 不同回火组织的冲击性能上述三种组织室温时表面热处理（如高、中频感应淬火）和化学热处理（如渗碳、碳氮共渗、氮化等）一般均不同程度地降低冲击韧性且下降程度与钢材原始成分（特别是含碳量）和组织有关。如渗碳钢，当钢材含碳量小于0.25时，渗碳使冲击韧性显著下降；而大于0.25时，则下降较小。冶金缺陷如偏折，非金属夹杂、裂缝、白点等冶金缺陷均使材料冲击韧性下降。图7-7 轧制方向对冲击

40、值的影响冲击韧性是用大的冲击能量将标准试样一次冲断所测得的数据，而大多数承受冲击载荷的零件都是经历上万次以至更多次数的小能量多次冲击后才破断失效。多次冲击抗标力指一般根据零件受载方式，相应选择多冲弯曲，多次拉伸，多次压缩和多次接触疲劳等试验方法，测得破断周次给予描述。材料在多次冲击载荷下的破断失效本质属于广义的疲劳失效类型。但是多次冲击载荷带有冲击性，作用时间短，应力应变速度高，具有体积效应和振动等特点，因此材料的多次冲击抗力与一般疲劳强度又有所不同。材料的多次冲击抗力是以强度为主，并与韧性，塑性相配合，在强度和韧性，塑性最佳配合时，多次冲击抗力（周次）出现峰值。且随着冲击能量的降低，多次冲击

41、抗力峰值向高强度，低塑性状态转移（见图7-8）。铁路道岔中高锰钢辙叉的使用寿命较短，主要是辙叉使用过程中，在没有达到麽耗极限前因出现裂缝而失效。高锰钢辙叉的受载情况比较复杂，与多次冲击疲劳极为相近。在重复应力作用下，高锰钢晶粒发生塑性变形，由于塑性变形而产生滑移线，滑移线导致裂缝的萌生与扩展。因为多冲疲劳对缺陷很敏感，所以，高锰钢中炭化物及缺陷显著地降低多冲疲劳性能。7.5金属材料抗疲劳失效指标7.5.1金属材料疲劳失效三阶段金属疲劳失效具有突发性，高度局部性及对各种缺陷敏感性的特点。但一般均要经历疲劳裂缝萌生，疲劳裂缝亚临界扩展和疲劳破断失效三个阶段。疲劳失效总是起始于微裂缝，这些微裂缝有的

42、是在冶炼，冷热加工过程中产生残存（或潜伏）于金属中或构成疲劳裂缝萌生源。有的则是在使用中萌生的。在纯金属和单相材料中，滑移带裂缝是常见疲劳裂缝萌生形式，其形成机理一般认为：是由于滑移带的“侵入沟”的应力集中而产生疲劳裂缝；或是由于驻留滑移带内的大量点缺陷的特别凝聚而形成。在工业合金和多相材料中都存在着粗大的第二相质点或夹杂物，它们加剧了应力集中，使金属在较低的名义应力下出现局部的塑性形变，导致在第二相和基体之间萌生疲劳裂缝。表7-7 各种因素对N0/Nf值的影响趋势影 响 因 素No/Nf备 注应力幅应力集中材料强度材料塑性温 度腐蚀介质裂缝数目亦增加工程上通常把在试样上产生一条可见的疲劳裂缝

43、时的应力周次（N0）与总寿命（Nf）的比（N0/Nf）作为表征材料疲劳裂缝萌生孕育期的参数。N0/Nf与应力幅、试样形状、材料性能、预载历程及温度、环境介质有关。表7-7列出上述因素对No/Nf的影响。表中箭头增加的趋势。疲劳裂缝萌生并大于某一尺寸后，在交变应力作用下就要发生亚临界扩展。亚临界扩展到一定尺寸后就要产生快速失稳扩展，当K1max达到材料的断裂韧性Kle时，产生最后破断失效。因此，材料的疲劳抗力指标通常用疲劳极限，过载持久值和疲劳缺口敏感度来表征。并与材料的da/dN有关。前两者可从材料的疲劳曲线上求得。7.5.2金属材料疲劳极限及影响因素金属材料在交变应力下经受无限次循环而不发生

44、破断失效的最大应力，称为金属材料的疲劳极限，它表示无限寿命下的疲劳强度。一般用 r来表示（称为应力循环系数或应力比。在对称循环时r=-1）。在旋转弯曲试验条件下，光华试样的疲劳极限常用-1 表示，缺口试样的疲劳极限用-1n表示。碳钢，大多数合金结构钢和铸铁。其疲劳曲线在107周次后都变为水平。对于这些材料，就把107周次不断的增大应力取为它们的疲劳极限。有色金属，某些超高强度钢及其在腐蚀介质中的几乎所有材料，其疲劳曲线在107周次以后仍不出现水平线段，即没有无限寿命的疲劳极限。这时就取5107或108周次不断时的最大应力为疲劳极限，称为条件疲劳极限。实验表明，疲劳极限与抗拉强度存在着经验关系。

45、弯曲疲劳极限与抗拉强度的关系如图7-9所示在b140kgf/mm2，光滑试样疲劳极限与抗拉强度存在着直线关系，其比值-1/b在0.350.55范围内；在b140kgf/mm2后，则偏离直线关系，钢的纯洁度对-1/b值和偏离直线关系的强度有很大影响。对称拉压疲劳试验，由于材料截面均匀受力，疲劳破断失效机率更大，拉压疲劳极限一般低于弯曲疲劳极限。对不同材料其经验关系为： -1(0.61.0)-1W塑性材料取下限，高强度材料取上限。对称扭转疲劳试验，由于材料剪切抗力低于拉伸应力，所以扭转疲劳极限总是低于弯曲疲劳极限。对不同材料其关系为： -1（0.550.90）-1W韧性材料取下限，脆性材料取上限。

46、常用材料弯曲疲劳极限列于表7-8至表7-10。影响材料疲劳极限的因素主要有：成分和夹杂物的影响、热处理和显微组织的影响，残余应力的影响，表面加工及应力集中的影响，表面镀层的影响、压配合与咬蚀的影响和载荷变化规律影响等。一般中碳结构钢和中碳合金结构钢中，化学成分对疲劳极限的影响主要取决于含碳量。钢中化学成分对弯曲疲劳极限的影响如图7-10所示。热处理和显微组织对材料疲劳极限的影响远大于化学成分的影响。凡增加抗拉强度的热处理一般都提高钢的疲劳极限。在淬火回火高强度钢中，回火马氏体组织具有较好的疲劳极限。40Cr与40MnB钢光滑试样的弯曲疲劳极限与回火温度的关系如图7-11。图7-10 钢的化学成

47、分与疲劳极限的关系 图7-11 40MnB钢疲劳极限与回火温度的关系残余压应力提高疲劳极限，残余拉应力降低疲劳极限。因此，表面热处理和冷变形强化因在表面形成残余压应力而提高疲劳极限。机械零件承受弯曲和扭转载荷时，表面应力最大，因而表面状态对疲劳极限有较大的影响。例如，粗糙的表面状态相当于存在很多微缺口，由于缺口应力集中而导致疲劳极限降低，且表面愈粗糙，疲劳极限降低愈严重。表7-12列出两种弹簧钢在不同表面状态下对扭转疲劳极限的影响。电镀降低材料疲劳极限，特别是镀Cr、Ni时，因在镀层中产生较大的残余拉应力而使疲劳极限显著降低。同时，在电镀时，由于 镀层中氢的存在造成龟裂作为缺口使应力集中，也降

48、低材料疲劳极限。电镀对材料疲劳极限的影响列于表7-11。滚动轴承、齿轮、机车车轮及压缩机曲柄等零件与轴的连接往往采用一定过盈量的压配合。这种装配不仅使压配合而存在很大的应力集中，而且当零件受弯曲或扭转载荷时，压配合边缘产生摩擦咬蚀，由于这两个原因，经压配合件的疲劳极限将大大降低。且配合面压力愈大，配合件尺寸愈大，则疲劳极限降低愈显著。按照疲劳极限设计的许多机械零件，在实际服役中的工作应力，有时偶然或断续超过材料的疲劳极限，这种情况称为过载。过载对材料疲劳极限的影响取决于过载程度，过载循环周次和材料敏感程度。在一定过载应力下，一次或几次过载应力可使材料形变强化和产生残余压应力使疲劳极限提高，当循

49、环周次超过一临界值后，因造成损伤而使疲劳极限明显降低，低于该临界值则不造成疲劳损伤。 7.5.3金属材料da/dN及影响因素金属材料的疲劳裂缝扩展速度（da/dN）与加载方式，应力大小、试样及裂缝的几何尺寸有关。用应力强度因素幅度K1来表达，可写成下式： da/dN=C(K1)n式中:K1-K1max-K1min=().y(a/w)，C.n-材料常数；y(a/w)-与试样和裂缝几何尺寸有关的系数；a/w-裂缝长度与试样高度之比。图7-12表示da/dN-K1关系的示意图。按曲线的变化可分为三个区域。区：裂缝不扩展区。在da/dN-K1曲线的下端存在一个“界线应力强度因子幅度Kn，它是由材料性能

50、和平均应力水平所决定的。称为裂缝扩展的“门槛值”。当外加应力强度因子幅度K1Ktn时，循环应力不能使已经存在的裂缝扩展。当K1Kth时，裂缝开始扩展。当一般材料的裂缝扩展速率da/dN=10-610-7毫米/次时，所对应的K1值即可认为是该材料的Ktn值。区：裂缝的亚临界扩展区。这个区域通常是由AB、BC两个线段组成，曲线的转折反映裂缝由平面应变状态向平面应力状态的过渡。工程上往往把这两线段用一直线来逼近（如图7-12中的实线），此线段的斜率即为公式中的指数n。各种金属材料指数n大约为1.46.7之间，对大多数金属材料，n24。区：裂缝急剧扩展区。当K1值继续增加到一定数值，AC线段便在 C

51、点发生转折，线段的斜率变大，裂缝产生快速失稳扩展，当K1max达到材料的K1c时，产生最后疲劳破断失效。各种钢材的疲劳裂缝扩展速率列于表7-13。影响疲劳裂缝扩展的因素主要有夹杂物和脆性相的影响、表面强化的影响，基体组织性能的影响，平均应力的影响，过载峰的影响和加载频率的影响等。夹杂物和脆性相一般促进疲劳裂缝扩展。且材料的强度水平愈高，影响愈大。因此，高强度钢要求有较高的纯洁度。同时，具有强度，塑性和韧性合理配合的基体组织可降低疲劳裂缝扩展速率。表面强化处理（化学热处理、表面淬火、表面塑性变形强化等）能提高疲劳强度，延长零件寿命，特别是喷丸、滚压等形变强化后，使晶粒细化和产生较大残余 压应力，

52、对提高Ktn 值，降低裂缝扩展 速率有显著效果。平均应力（用应力比r表示）对裂缝扩展速率的影响如图7-13。在 K1 相同时，r越大，da/dN也越高。值得注意的是：应力比r对Ktn的影响 更为显著。这一事实表明，一个承受变载荷作用的零件，当它在较低的平均应力下工作时，大裂缝可能处于非扩展区内，而在较高平均应力下，裂缝就可能发生扩展。在变幅载荷中，施加一定大小的单个过载峰，立即会使疲劳裂缝扩展速度变慢，甚至停止，产生延缓裂缝扩展的作用。且一般塑性好的材料，延缓作用也较明显。但是，高的过载峰也可能产生一些新的裂缝，或使许多单个裂缝连接在一起，造成过载损伤，从而降低零件的实际使用寿命。对于一般钢材

53、，在K1值较低时，加载频率对da/dN影响不大；当K1值较高时，随着加载频率的降低，裂缝扩展速率加快。试验证明，疲劳裂缝扩展第二阶段并非纯力学行为，而与钢的成分，组织，特别是细微结构密切相关。40MnB、40Cr低温回火马氏体钢的性能对比试验表明：在静拉伸强度，塑性相近时，由于硼在晶界，亚晶界的偏聚，提高了晶界、亚晶界的疲劳裂缝扩展抗力。在较高K1下，200 0C回火的40Cr钢疲劳裂缝扩展途径以沿晶为主，而40MnB钢则以穿晶为主。硼增加微区塑性的作用。提高了裂缝尖端塑性纯化能力，使断口显示清楚的疲劳条痕。使40MnB钢具有较高的断裂性和良好的疲劳裂缝抗力。同时，40MnB和40Cr两种钢断

54、裂微观机理的不同导致了宏观裂缝扩展速率上的较大的差距。显微组织形态对da/dN有一定影响，尤其对Ktn影响较大。18Cr2Ni4voA拉状贝氏体的da/dN最低，Kth最高；马氏体高温回火组织的da/dN最高，Kth最低；拉状贝氏体高温回火组织介于二者之间。7.5.4金属材料da/dt及影响因素金属材料应力腐蚀或腐蚀疲劳裂缝亚临界扩展速率da/dt与材料状态，环境介质和使用温度有关。有了材料在实际使用介质中测得的da/dtK1曲线，就可以根据下式进行含有初始裂缝零件的使用寿命（tF）计算：或 式中：t0-裂缝扩展的孕育期，它是初始应力强度因子K10的函数；-由结构的几何形状，裂缝状态及受力状态

55、决定。实验表明，水、水蒸气和氢对高强度钢具有高的侵蚀性，而当水和水蒸气中加入少量的氧，能够起到降低或停止裂缝扩展的作用。但随着温度升高，裂缝在水和饱和蒸气中的亚临界扩展速率da/dt增高。7.6金属材料抗环境失效指标7.6.1金属材料蠕变极限及影响因素金属材料蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或蠕变速度等于某规定时的最大应力。用符号或表示，其中s表示极限应力（kgf/mm2）；t表示试验温度（）；表示试验时间（n）；表示变形量（）；vH表示恒温蠕变速度（/n）。蠕变极限是反映金属材料高温性能的重要指标，并考虑变形为主。如气轮机和蒸气轮机叶片在长期运

56、行中，只允许产生一定的变形量，在设计时就必须考虑蠕变极限。传统的高温零件设计是建立在经典强度理论基础上的，设计以下列条件依据： ss式中：s-设计应力； s-许用应力； n-安全系数一般认为对10万小时变形1的蠕变强度的安全系数n，对形变合金用1.01.25，对铸造合金用1.21.5。金属材料的蠕变极限主要取决于合金的化学成分，但又同热处理，冶炼等工艺密切相关。试验温度，试样尺寸也有很大影响。在给定材料成分的情况下，可通过热处理获得所要求的组织状态，以确保材料的高温使用性能。7.6.2金属材料持久强度及影响因素金属材料持久强度是试样在一定温度和在规定的持续时间内，引起断裂的最大应力值。以符号（kgf/mm2）表示。其中t表示试验（）；表示试验持续时间（n）。传统的高温零件设计是建立在经典强度理论基础上的，设计以下列条件为依