浅谈失效形式中的脆性断裂

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1、浅谈失效形式中的脆性断裂摘要：在三种主要失效形式中，断裂，特别是没有先兆的低应力脆性断裂，是工程材料应用中的一个关键问题。因为脆断产生的事故后果往往是严重的。关键词：脆性断裂；强度；硬度；残余应力一、脆性断裂的产生条件1・缺口的存在，产生局部应力集中导致的断裂缺口和裂纹还可导致该处应力状态的“硬化”。因为不论加载方式如何，对所研究受力件中某一点，均可找出一个最大正应力omax和最大切应力Tmaxo我们已经知道只冇切应力才能产生槊•性变形，并通过槊•性变形吸收裂纹尖端能量，从而阻止裂纹进一步扩展，所以tmax/omax值的大小，反映了该处应力状态的软硬程度。当这比值很小时，产生

2、塑性变形的可能性减小，应力状态变“硬”，当裂纹尖端处于平面应力状态时，切应力分量为零，受的三向拉力，应力状态最硬，产生脆断危险最大。2•加载速度增大，使得位错运动来不及进行时，也可使材料脆化如果在低温下高速加载时，则脆断的危险特別严重。变动载荷下的疲劳断裂，也没有明显的塑性变形，它是局部损伤不断积累的结果。3.环境和介质也可导致材料脆化高强度钢的氢致脆化，危害特别大。发生氢脆的温度为-100°C〜200°C之间。特定介质中受拉应力的许多材料产生的应力腐蚀断裂也是低应力脆断。玻璃、聚合物等的强度也与某些环境因素密切相关，如冇机玻璃经酒精浸渍后，抗拉强度人人下降。凡是环境效应促成

3、的脆性破坏，都可认为是一个应力腐蚀问题。二、标注硬度与脆性的关系硬度是机械工程中应用最广泛的一种材料性能指标。硬度有许多种测量方法，通常应用最多的是布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HBC、HRA、HRB),硕度值反映了材料表面对压头压入的抗力大小。在机械零件图中，都是通过标注硬度来表明对零件强度性能要求的。在机械厂中，只要零件硬度在图纸规定的范围内，就认为是合格零件。这种沿用至今的传统做法，在许多情况下是正确的、可行的。随着机械工业的发展，只靠标注硬度表明对零件的性能要求，已暴露出越来越多的问题。这种传统做法有时是有害的，其至是危险的。这可从两方面来认识：1•单一的硬度值，并不能

4、表征材料机械性能的全貌，而口硬度并不是基木的力学性能指标。测量硬度时压痕周I韦I呈现很复杂的不均匀应力应变，通过它来分析和确定硬度的物理意义是怵I难的。2•使用某一零件获得某一硕度，可以不止一种途径。女口，可以通过不同的热处理、变形等手段，获得具有相同硬度值的不同组织。硬度虽然相同，但不同组织的其他性能差别却可以很大。所以设计零件时，图纸上至少应标出材料牌号，热处理工艺类型和硬度值要求主。对一些重要零件则应标注更具体、更全面、更严格的技术要求。有些重要工程设计实际就是这样做的。三、残余应力与脆性的关系在铸造、热锻、冷轧、焊接、切削加工、热处理及许多表面强化工艺过程中，都会在零

5、、构件中产生残余应力。这种没有外载就存在于零、构件中的隐蔽的应力与在外力作用下零件产生的应力同等的重要。在许多情况下，这类残余应力的存在导致零件或构件的变形，甚至开裂应力述可能使零件内产生三向热拉的应力状态，使零件“脆化”，甚至产生断脆。残余应力还可使材料产生应力腐蚀破坏或加速腐蚀进行。这些都是残余应力的消极影响，要努力加以防止，或及时予以消除。一般认为，通常在断裂前产生显塑性变形的材料，如低、中碳钢等，当英内部有裂余应力存在时，塑性变形便松弛了既存的残余应力。所以，对于这类材料，残余应力的存在对其断裂时应力的影响很小。而对于那些呈脆性断裂的材料，女口，铸铁、淬火钢、玻璃等。

6、残余应力对它们的静强度会产生显著的影响。如，通过急冷使表面层产生了残余压应力的钢化玻璃，破坏它所需的静力是普通玻璃的四倍。铸铁也有类似的行为。随着材料塑性的降低，裂余应力对材料静强度的影响增大。渗碳、氮化、碳氮共渗、高频淬火、喷丸强化、表面轧制等许多手段,不仅改变了零件表层的组织，提高了表面的硕度，而且造成表面残余压力,它和外力在表层产生的拉应力叠加后，可大大降低表

7、何实际承受的拉应力值，从而使零件的疲劳强度和寿命显著提高，在解决钢零件抗弯曲、扭转疲劳破坏和抗接触疲劳破坏方面具有良好的效果。表面淬火和激光表面处理，楞细化亚晶粒尺寸，并造成表层残余压应力，从而提高零件的疲劳强度

8、。表面冷挤压是通过对平面和内孔的挤压，提高表面光洁度，改变表层组织与残余应力状态来提高疲劳性能的。许多轴类零件和带孔板材的孔边缘处，常采用冷挤强化，效果显著。（作者单位辽宁省本溪市机电工程学校）编辑谢尾合