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南安普敦大學課程輔導之材料和部件的失效類型

發布時間:2023-10-02 09:56

材料和部件的失效課程側重于結構材料在一系列工程應用中的性能。失效和失效模式,即產品或材料特性或功能的喪失,會產生一系列影響,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,以及材料可能出現的失效類型
南安普敦大學課程輔導之材料和部件的失效類型

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)因各種因素影響結構的強度、穩定性和化學成分而發生的破壞。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,在設計組件或結構時,工程師往往需要將失效的可能性降至最低,因為當產品組件發生失效時,無論是斷裂還是形狀改變,都將無法再發揮其預期功能。

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。一旦出現裂紋,每次加載循環都會使裂紋增大一點,即使反復交替或循環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品。最常見的疲勞失效類型如下:

1.高循環疲勞 (HCF)

高循環疲勞是指材料在相對較低的應力水平下承受大量的循環。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生的。然后,這些裂紋在循環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生產生重大影響。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常出現。

2.低循環疲勞(LCF)

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

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

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,如發電廠和工業機械中的部件。

3.熱疲勞

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

a.熱膨脹系數: 熱膨脹系數不同的材料更容易產生熱疲勞,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,蠕變變形會與循環熱應力相互作用,影響裂紋的產生和擴展。

4.腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是循環加載和腐蝕環境的結合。腐蝕會削弱材料表面的強度,使其在循環應力作用下更容易出現裂紋并擴展。這種疲勞常見于暴露在干濕交替條件下的結構,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加載下降解和斷裂的機理。這些機制包括高循環疲勞、低循環疲勞、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,確保材料和結構在各種應用中的可靠性。

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