【正文】 ④疲勞斷裂過(guò)程包括疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。疲勞斷裂應(yīng)力還小于抗拉強(qiáng)度 σb，其至也小于屈服點(diǎn) σs。疲勞斷裂是脆性斷裂的一種形式。 ③ 為減少構(gòu)件脆性斷裂，在 設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)使由缺陷所產(chǎn)生的 應(yīng)力集中減小 到最低限度；如減少尖銳角；消除未焊透的焊縫；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性 (因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)的過(guò)渡部位往往使構(gòu)件應(yīng)力集中而形成高應(yīng)力區(qū) )；過(guò)渡段的連接應(yīng)采用正確的焊接方法。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度較低，甚至低于該材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展的水平；若其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料。 d 焊接質(zhì)量 焊接缺陷一般有夾雜、氣孔、未焊透和焊接裂紋等，而其中焊接裂紋的存在對(duì)焊接構(gòu)件的斷裂起著重要作用。隨著溫度的降低，鋼的屈服應(yīng)力增加，韌性下降，解理應(yīng)力也隨著下降。 因此，最大拉應(yīng)力與最大切應(yīng)力的比值越大，構(gòu)件失效脆性斷裂可能性越大，在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下比值最大，極易導(dǎo)致脆性斷裂。 其他花樣 有羽毛花樣、青魚(yú)骨狀花樣及瓦納線花樣。失效分析工作者將 20個(gè)碎片拼合，根據(jù)斷口人字條紋矢形方向匯集到清掃孔A、 B、 C處從而斷定裂紋源于清掃孔處。 因而根據(jù)斷口人字條紋或山形條紋的圖形可以判斷脆性斷裂的裂紋擴(kuò)展方向和尋找斷裂起源點(diǎn)。由于解理是通過(guò)破壞原子間的接合力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而 密排面之間的原子間隙最大 ，接合力最弱，故絕大多數(shù)解理面是原子密排面。 與面心立方金屬比較，體心立方金屬隨溫度的下降，塑性將明顯下降，屈服應(yīng)力升高。 ④ 隨時(shí)注意有無(wú)異常變形。 3）產(chǎn)生韌性斷裂的影咱因素及防止措施 韌性斷裂的 原因 多是各種影響因素造成的材料強(qiáng)度不足，如構(gòu)件受到較大的載荷或過(guò)載、局部應(yīng)力集中等。 ③韌窩數(shù)量的多少取決于顯微孔洞數(shù)目的多少。只是在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)斷面上，其拋物線韌窩的方向不同，對(duì)剪切韌窩凸向相反，對(duì)撕裂韌窩凸向相同。 撕裂韌窩 撕裂應(yīng)力 作用下出現(xiàn) 伸長(zhǎng)的或呈拋物線 狀的韌窩。 等軸韌窩 在 正應(yīng)力 (即垂直于斷面的最大主應(yīng)力 )的均勻作用下，顯微孔洞沿空間 三個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度相同 ，因而形成等軸韌窩。 如纖維區(qū)較大，材料的塑性和韌性比較好；如放射區(qū)比較大，則材料的塑性降低，而脆性增大 。斷裂面沿最大切應(yīng)力面和拉伸軸成 45。 工程構(gòu)件最常出現(xiàn)的兩種韌性斷裂宏現(xiàn)形貌 2）韌性斷裂的斷口形貌 (1)韌性斷裂斷口宏現(xiàn)形貌 在直徑大的圓棒鋼試樣新斷裂的金屬灰色斷口上能觀察到 三個(gè)區(qū)： 凹凸不平暗灰色且無(wú)光澤的 纖維區(qū) 、放射線紋理的灰色有光 放射區(qū) 及平滑絲光的亮灰色 剪切唇區(qū) 。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢，材料在斷裂過(guò)程中需要 不斷消耗相當(dāng)多的能量 。 d. 蠕變斷裂 材料在一定溫度下，恒載經(jīng)一定時(shí)間后產(chǎn)生累進(jìn)式形變而導(dǎo)致的斷裂。主要包括應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。穿晶斷裂可以是韌性的也可以是脆性的。 正斷可能是脆性的，也可能是韌性的，而切斷一般總是韌性的。斷裂面垂直于正應(yīng)力或最大的拉伸應(yīng)變方向。 斷裂失效的分類 (1)按斷裂前變形程度分類 斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂過(guò)程中吸收了較多的能量， —般是在高于材料屈服應(yīng)力條件下的高能斷裂。 ②裂紋擴(kuò)展速率： 裂紋低速穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展每秒小于 5米；裂紋非穩(wěn)態(tài)快速擴(kuò)展，高達(dá)每秒上千米。 金屬構(gòu)件斷裂后，在斷裂部位都有 匹配的兩個(gè)斷裂表面，稱為斷口， 斷口及其周?chē)粝屡c斷裂過(guò)程有密切相關(guān)的信息。 但要注意到再緊固會(huì)對(duì)松弛性能有所影響，因?yàn)槊窟M(jìn)行一次再緊固，材料都產(chǎn)生應(yīng)變硬化 ，殘余應(yīng)力有所下降，隨著塑性應(yīng)變的總量增加，材料最終是會(huì)斷裂的。殘余應(yīng)力高則松弛穩(wěn)定性好。 處于應(yīng)力松弛條件的構(gòu)件，在 — 定的溫度下，彈性變形量與塑性變形量的變化可用下式表示： 總變形量 ε0＝ ε彈 ＋ ε塑 ＝常數(shù) 金屬的應(yīng)力松弛曲線 : 第 Ⅰ 階段 持續(xù)時(shí)間較短，應(yīng)力隨時(shí)間增加而急劇下降； 第 Ⅱ 階段 持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，應(yīng)力緩慢下降。 持久強(qiáng)度 則是材料在高溫長(zhǎng)期載荷下， 不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力值 。 特點(diǎn)： 蠕變變形失效也是一種塑性變形失效，有塑性變形失效的特點(diǎn)，但蠕變失效并不一定是過(guò)載，只是載荷大時(shí)，蠕變變形失效的時(shí)間短，恒速蠕變階段蠕變速度大。此時(shí)所稱的高溫為高于(Tm是以絕對(duì)溫度表示的 金屬材料的熔點(diǎn) )，一般情況下碳鋼構(gòu)件在 300℃ 以上，低合金強(qiáng)度鋼構(gòu)件在 400℃ 以上。 ③ 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。 (4)塑性變形失效的原因及預(yù)防措施 構(gòu)件塑性變形失效的原因主要是過(guò)載 ，使構(gòu)件的受力過(guò)大，出現(xiàn)影響構(gòu)件使用功能的過(guò)量的塑性變形。 d．伴隨材料性能的變化 這主要是因?yàn)樗苄宰冃螘r(shí)， 金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖實(shí)現(xiàn)了晶面的滑移，亞晶結(jié)構(gòu)形成；晶粒歪扭，微裂紋等缺陷產(chǎn)生。塑性交形的 微觀機(jī)制 表明，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖使晶體實(shí)現(xiàn)一個(gè)晶面在另一個(gè)晶面上的逐步滑移， 宏觀表征 是卸載后塑性變形保留至可觀察及測(cè)量。通常反映材料塑性性能優(yōu)劣的指標(biāo)是 伸長(zhǎng)率 δ和斷面收縮牢 φ。 對(duì)于拉壓變形的桿柱類零件、彎扭變形的 軸類零件 ，其過(guò)量的彈性變形都會(huì)因構(gòu)件喪失配合精度導(dǎo)致動(dòng)作失誤， 要求精確計(jì)算可能產(chǎn)生的彈性變形及變形約束 而達(dá)到適當(dāng)?shù)呐浜铣叽纭? (4)失去彈性功能的彈性變形失效 當(dāng)構(gòu)件的彈性變形已不遵循變形可逆性、單值對(duì)應(yīng)性及小變形量的特性時(shí)，則構(gòu)件失去了彈性功能而失效。只要觀察到這種痕跡．而且構(gòu)件停工時(shí)，構(gòu)件相互間仍有間隙，便可作為判斷的依據(jù)。但兩個(gè)階段彈性變形的總量是很小的，加起來(lái)一般小于 %%。 要有好的彈性，應(yīng)從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手。 由于 COD理論應(yīng)用在線彈性范圍內(nèi)與線彈性斷裂力學(xué)是等價(jià)的，因而可通過(guò)測(cè)出的 δc 而求出久 KIC。 構(gòu)件中存在長(zhǎng)度為 2a的穿透裂紋，裂紋張開(kāi)位移 δ的計(jì)算因裂紋塑性區(qū)建模不同有不同的表示公式。 COD理論認(rèn)為，當(dāng)裂紋尖端張開(kāi)位移 δ達(dá)到材料的臨界值 δc時(shí)，裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生斷裂。 不考慮塑性區(qū) (213) 考慮塑性區(qū) 以 作為裂紋當(dāng)量半長(zhǎng)，得 例子： 如厚 l0 mm、寬 200 mm的乎板兩端承受均勻拉伸應(yīng)力640MPa，板中央有一 20 mm長(zhǎng)的穿透裂紋．鋼板的 σs＝1200MPa。 對(duì)厚板穿透裂紋裂尖塑性區(qū)的修正： 即把裂紋尖端塑性變形看作相對(duì)于使裂紋長(zhǎng)度較實(shí)際尺寸 a增加了 △ a，等效裂紋長(zhǎng)度為 ae= a+△ a，即 ae= a+rp， θ＝ 0。 如果塑性區(qū)的存在仍屬小范圍屈服條件，但其影響不可忽略，一般對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行修正，如對(duì)于工業(yè)上廣泛應(yīng)用的中低強(qiáng)度鋼，由于σs低，而 KIC又高，則 (KIC/σs)2比較大。 當(dāng) θ＝ 0，即在 x軸上時(shí)，有 (211) (212) 對(duì)于金屬材料， 平面應(yīng)變 狀態(tài)下塑性區(qū)在 x軸上寬度較之 平面應(yīng)力 情況 小 很多，若取 μ＝ ， rp′=。 f．裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正 從式 (26)可知，越靠近裂紋尖端 (r→ o)，應(yīng)力越大，但出現(xiàn)無(wú)窮大的應(yīng)力是不可能的，尤其是塑性比較好的金屬材料，邊緣應(yīng)力的自限性使裂紋尖端的應(yīng)力受到屈服強(qiáng)度的限制， 當(dāng)該應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度 σs時(shí)，材料就因屈服而發(fā)生塑性變形。 ③ 根據(jù)構(gòu)件現(xiàn)存的裂紋尺寸，確定構(gòu)件的最大工作應(yīng)力或最大允許載荷。因此脆性斷裂失效的判據(jù)可寫(xiě)為 KI≥KIC （ 210） 這個(gè)判據(jù)稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子判據(jù)， 簡(jiǎn)稱 K判據(jù) 。由于 KIC是材料性能，故用試樣測(cè)出的 KIC值就是實(shí)際含裂紋構(gòu)件抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的 KIC值。 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也稱為斷裂韌度，用 KIC表示 ，即 （ 29） 式中， σc和 ac分別為臨界狀態(tài)的應(yīng)力及裂紋尺寸 。 KI控制了應(yīng)力的大小，故稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 ，下標(biāo) I表示 I型裂紋 (張開(kāi)型裂紋 )。 工程結(jié)構(gòu)常用的金屬材料的斷裂主要有兩種不同的性質(zhì)：脆性斷裂 與 韌性斷裂 。這里提出了兩個(gè)問(wèn)題， 一是裂紋體在裂端區(qū)應(yīng)力變場(chǎng)強(qiáng)度的表征及變化規(guī)律；二是裂紋體發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值 。安全系數(shù)既包容了材料的實(shí)際情況與均勻連續(xù)無(wú)損傷假設(shè)的差異，也包容了真實(shí)變形體與受力假設(shè)模型的差異，甚至包容了制造、使用等過(guò)程產(chǎn)生的變化與理論假設(shè)的差異在內(nèi)，全部用一個(gè)打新扣的數(shù)字概括了，這是一個(gè)模糊的概念，是一個(gè)無(wú)知程度系數(shù)。 在 三向壓縮應(yīng)力狀態(tài) 下，不論是塑性材料還是脆性材料，通常都發(fā)生屈服破壞，故一般應(yīng)采用 形狀改變比能理論 。 ③ 對(duì)于塑性材料 ，由于從單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果不可能得到材料發(fā)生脆斷的極限應(yīng)力，所以，在 按最大拉應(yīng)力理論 對(duì)于用這類材料制成的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，公式中的 [σ] 就不能再用這類材料在單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力值。因此， 要 搞清楚各種強(qiáng)度理論的適用范圍。按第四強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件是 幾種塑性好的材料，如鋼、鋁、銅等的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與第四強(qiáng)度理論的屈服條件非常接近，這一理論與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度比第二強(qiáng)度理論更好。 第三強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件是 σ1σ3≤ [σ] 第三強(qiáng)度理論實(shí)際上是一種塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù)。 此外，對(duì)于兩個(gè)主應(yīng)力均為拉應(yīng)力的二向應(yīng)力狀態(tài)，其試驗(yàn)結(jié)果與第一強(qiáng)度理論 (最大拉應(yīng)力理論 )計(jì)算的結(jié)果更為符合。此外，由脆性材料的斷裂失效試驗(yàn)指出，對(duì)于工程中最常遇到的兩個(gè)主應(yīng)力是一拉一壓的二向應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果也與按這一理論計(jì)算結(jié)果相近。 b． 最大拉應(yīng) 變 理論 (第二強(qiáng)度理論 ) 這一強(qiáng)度理論的根據(jù)是 ， 當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過(guò)大時(shí) ， 其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì)沿最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變的方向發(fā)生脆性斷裂 。例如，由鑄鐵等脆性材料制成的構(gòu)件，在軸向拉伸試驗(yàn)時(shí)，得到與軸向應(yīng)力相垂直的平直斷口 (有時(shí)在試樣邊緣有不大的剪切唇邊 )；在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，得到沿扭轉(zhuǎn)軸表面層成 45176。因而按構(gòu)件強(qiáng)度失效不同的決定性因素便產(chǎn)生了各種假設(shè)的解釋理論，稱為 強(qiáng)度理論 。所設(shè)計(jì)的構(gòu)件的安全使用性能以構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度為設(shè)計(jì)推則，再輔以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足其余使用性能的要求。由于零件斷面上各處轉(zhuǎn)變的先后不同，其體積變化各處不同，由此引起的內(nèi)應(yīng)力稱做 “組織應(yīng)力” 。層狀撕裂在 T形接頭，十字接頭和角接頭比較多見(jiàn)。 它與一般的延遲裂紋不同，這種裂紋前端圓鈍，裂紋本身具有一定的寬度，走向直通，似乎有脆斷的特征。這種裂紋除了出現(xiàn)在熱影響區(qū)，有時(shí)還出現(xiàn)在焊縫上，主要是由淬硬組織引起的，故又稱淬火裂紋。 再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼，以及鎳基合金的焊接接頭中 c．冷裂紋 在相當(dāng)?shù)偷臏囟龋蠹s在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度 (即 Ms點(diǎn) )附近，由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的作用下，在焊接接頭產(chǎn)生的裂紋屬冷裂紋。 b．再熱裂紋 在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理的過(guò)程中， 在焊接熱影響區(qū) 的粗晶部位產(chǎn)生裂紋。 結(jié)晶裂紋主要出現(xiàn)在含雜質(zhì)較多的碳鋼焊縫中 (特別是含硫、磷、硅、碳較多的鋼種焊縫 )和單相奧氏體鋼、鎳基合金，以及某些鋁及鋁合金的焊縫中。 ⅱ ． 從夾雜物類型比較，硫化物對(duì)韌性的影響大于氮化物，在氮化物中 zrN對(duì)韌性的危害較小，夾雜物類型不同而含量相近的情況下，變形成長(zhǎng)條狀的 Mns對(duì)斷裂韌性影響大于不變形的硫化物 (Tis， ZrS)。 它很可能成為留住基體中潛在的疲勞破壞源。 a．夾雜物變形性對(duì)鋼性能的影響 鋼中非金屬夾雜物的變形行為與鋼基休之間的關(guān)系，可用夾雜物與鋼基體之間的相對(duì)變形量來(lái)表示，即夾雜物的變形率 v，夾雜物的變形率可在 v＝ 0～ 1這個(gè)范圍受化，若變形率低，鋼經(jīng)加工變形后．由于鋼產(chǎn)生塑性變形，而夾雜物基本不變形，便在夾雜物和鋼基體的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在鋼與夾雜物的交界處產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋便成為零件在使用過(guò)程中引起疲勞破壞的隱患。 b．塑性?shī)A雜物 這類夾雜物 在鋼經(jīng)受加工變形時(shí)具有良好的塑性，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀， 屬于這類的夾雜物有含 SiO2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳