南安普敦大學課程輔導之材料和部件的失效類型

材料和部件的失效課程側(cè)重于結(jié)構(gòu)材料在一系列工程應用中的性能。失效和失效模式，即產(chǎn)品或材料特性或功能的喪失，會產(chǎn)生一系列影響，為了解決這些問題，必須確定失效和失效模式。本文將分析什么是失效模式，以及材料可能出現(xiàn)的失效類型。

一、失效模式或材料失效是什么意思?

失效是指物體或材料(無論是金屬、混凝土還是塑料等)因各種因素影響結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性和化學成分而發(fā)生的破壞。導致失效的原因可能是多方面的，如腐蝕、疲勞或磨損等。因此，在設計組件或結(jié)構(gòu)時，工程師往往需要將失效的可能性降至最低，因為當產(chǎn)品組件發(fā)生失效時，無論是斷裂還是形狀改變，都將無法再發(fā)揮其預期功能。

失效的典型原因是材料選擇和加工不當，以及組件設計不當或使用不當。在這種情況下，我們必須了解導致故障的原因，以便糾正故障并防止其再次發(fā)生。為此，最好的方法就是失效模式和影響分析。

二、失效模式的類型

在材料科學中，疲勞是最常見的失效模式，也是通常會導致其他類型失效的失效模式。一旦出現(xiàn)裂紋，每次加載循環(huán)都會使裂紋增大一點，即使反復交替或循環(huán)應力的強度大大低于正常強度。然而疲勞有許多特定類型。了解每種疲勞的特性有助于工程師通過失效模式和效應分析，確定哪些疲勞危害可能會影響特定材料或產(chǎn)品。最常見的疲勞失效類型如下：

1.高循環(huán)疲勞 (HCF)

高循環(huán)疲勞是指材料在相對較低的應力水平下承受大量的循環(huán)。在這種情況下，失效通常是由于應力集中處(如缺口或表面缺陷)的微觀裂紋累積而產(chǎn)生的。然后，這些裂紋在循環(huán)加載的影響下逐漸擴展，直至達到臨界尺寸，此時突然斷裂。HCF 的主要特征包括

a.起始和擴展： 裂紋從應力集中點開始，并在每個加載周期中逐漸擴展。

b/表面光潔度和缺口： 表面光潔度和缺口等幾何特征會對裂紋的產(chǎn)生產(chǎn)生重大影響。表面更光滑、設計更合理的部件往往具有更長的疲勞壽命。

c.受影響的材料： HCF 常見于具有良好延展性的材料，如鋼和鋁合金，在航空航天部件和汽車零件等應用中經(jīng)常出現(xiàn)。

2.低循環(huán)疲勞(LCF)

與 HCF 相比，低循環(huán)疲勞的應力水平更高，循環(huán)次數(shù)更少。它通常與塑性變形有關，塑性變形會導致材料發(fā)生周期性硬化和軟化。低頻疲勞在涉及大循環(huán)應變或高負載的應用中表現(xiàn)突出。LCF 的主要特征包括

a.塑性變形： 循環(huán)塑性導致材料特性在加載循環(huán)過程中發(fā)生變化。這可能會導致局部變形、應變集中，并最終引發(fā)裂紋。

b.應變控制加載： 低疲勞通常是應變控制的，這意味著施加的變形是驅(qū)動疲勞過程的主要因素。

c.應用： LCF 主要用于承受可變載荷的部件，如發(fā)電廠和工業(yè)機械中的部件。

3.熱疲勞

當材料暴露在周期性的溫度變化中時，就會產(chǎn)生熱疲勞。這會導致部件內(nèi)部產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，從而產(chǎn)生循環(huán)應力和應變。熱疲勞與溫度波動頻繁的應用尤其相關，例如內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)或噴氣發(fā)動機的渦輪葉片。熱疲勞的關鍵因素包括

a.熱膨脹系數(shù)： 熱膨脹系數(shù)不同的材料更容易產(chǎn)生熱疲勞，因為它們的膨脹和收縮率各不相同。

b.溫度梯度： 部件上較大的溫度梯度會導致應力分布不均勻，從而加劇熱疲勞。

c.蠕變相互作用： 在高溫條件下，蠕變變形會與循環(huán)熱應力相互作用，影響裂紋的產(chǎn)生和擴展。

4.腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是循環(huán)加載和腐蝕環(huán)境的結(jié)合。腐蝕會削弱材料表面的強度，使其在循環(huán)應力作用下更容易出現(xiàn)裂紋并擴展。這種疲勞常見于暴露在干濕交替條件下的結(jié)構(gòu)，如橋梁或海上平臺。腐蝕疲勞的關鍵因素包括

a.腐蝕速率： 材料的腐蝕速度在決定裂紋增長速度方面起著至關重要的作用。更快的腐蝕速度會導致更快的疲勞失效。

b.腐蝕類型： 點腐蝕、應力腐蝕開裂和氫脆是導致腐蝕疲勞的常見機制。

c.材料敏感性： 某些材料由于易受某些腐蝕機制的影響，因此對腐蝕疲勞更為敏感。

疲勞失效包含一系列可導致材料在循環(huán)加載下降解和斷裂的機理。這些機制包括高循環(huán)疲勞、低循環(huán)疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。每種類型的疲勞都具有不同的特征、影響其發(fā)生的因素以及對材料設計和部件性能的影響。工程師和材料科學家必須仔細考慮這些因素，以增強抗疲勞性，確保材料和結(jié)構(gòu)在各種應用中的可靠性。

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