淺談失效形式中的脆性斷裂

摘 要：在三種主要失效形式中，斷裂，特別是沒有先兆的低應力脆性斷裂，是工程材料應用中的一個關鍵問題。因為脆斷產生的事故后果往往是嚴重的。

關鍵詞：脆性斷裂；強度；硬度；殘余應力

一、脆性斷裂的產生條件

1.缺口的存在，產生局部應力集中導致的斷裂

缺口和裂紋還可導致該處應力狀態的“硬化”。因為不論加載方式如何，對所研究受力件中某一點，均可找出一個最大正應力σmax和最大切應力τmax。我們已經知道只有切應力才能產生塑性變形，并通過塑性變形吸收裂紋尖端能量，從而阻止裂紋進一步擴展，所以τmax/σmax值的大小，反映了該處應力狀態的軟硬程度。當這比值很小時，產生塑性變形的可能性減小，應力狀態變“硬”，當裂紋尖端處于平面應力狀態時，切應力分量為零，受的三向拉力，應力狀態最硬，產生脆斷危險最大。

2.加載速度增大，使得位錯運動來不及進行時，也可使材料

脆化

如果在低溫下高速加載時，則脆斷的危險特別嚴重。變動載荷下的疲勞斷裂，也沒有明顯的塑性變形，它是局部損傷不斷積累的結果。

3.環境和介質也可導致材料脆化

高強度鋼的氫致脆化，危害特別大。發生氫脆的溫度為-100℃～200℃之間。特定介質中受拉應力的許多材料產生的應力腐蝕斷裂也是低應力脆斷。玻璃、聚合物等的強度也與某些環境因素密切相關，如有機玻璃經酒精浸漬后，抗拉強度大大下降。凡是環境效應促成的脆性破壞，都可認為是一個應力腐蝕問題。

二、標注硬度與脆性的關系

硬度是機械工程中應用最廣泛的一種材料性能指標。硬度有許多種測量方法，通常應用最多的是布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HBC、HRA、HRB），硬度值反映了材料表面對壓頭壓入的抗力大小。在機械零件圖中，都是通過標注硬度來表明對零件強度性能要求的。在機械廠中，只要零件硬度在圖紙規定的范圍內，就認為是合格零件。這種沿用至今的傳統做法，在許多情況下是正確的、可行的。

隨著機械工業的發展，只靠標注硬度表明對零件的性能要求，已暴露出越來越多的問題。這種傳統做法有時是有害的，甚至是危險的。這可從兩方面來認識：

1.單一的硬度值，并不能表征材料機械性能的全貌，而且硬度并不是基本的力學性能指標。測量硬度時壓痕周圍呈現很復雜的不均勻應力應變，通過它來分析和確定硬度的物理意義是困難的。

2.使用某一零件獲得某一硬度，可以不止一種途徑。如，可以通過不同的熱處理、變形等手段，獲得具有相同硬度值的不同組

織。硬度雖然相同，但不同組織的其他性能差別卻可以很大。所以設計零件時，圖紙上至少應標出材料牌號，熱處理工藝類型和硬度值要求主。對一些重要零件則應標注更具體、更全面、更嚴格的技術要求。有些重要工程設計實際就是這樣做的。

三、殘余應力與脆性的關系

在鑄造、熱鍛、冷軋、焊接、切削加工、熱處理及許多表面強化工藝過程中，都會在零、構件中產生殘余應力。這種沒有外載就存在于零、構件中的隱蔽的應力與在外力作用下零件產生的應力同等的重要。

在許多情況下，這類殘余應力的存在導致零件或構件的變形，甚至開裂應力還可能使零件內產生三向熱拉的應力狀態，使零件“脆化”，甚至產生斷脆。殘余應力還可使材料產生應力腐蝕破壞或加速腐蝕進行。這些都是殘余應力的消極影響，要努力加以防止，或及時予以消除。

一般認為，通常在斷裂前產生顯塑性變形的材料，如低、中碳鋼等，當其內部有裂余應力存在時，塑性變形便松弛了既存的殘余應力。所以，對于這類材料，殘余應力的存在對其斷裂時應力的影響很小。

而對于那些呈脆性斷裂的材料，如，鑄鐵、淬火鋼、玻璃等。殘余應力對它們的靜強度會產生顯著的影響。如，通過急冷使表面層產生了殘余壓應力的鋼化玻璃，破壞它所需的靜力是普通玻璃的四倍。鑄鐵也有類似的行為。隨著材料塑性的降低，裂余應力對材料靜強度的影響增大。

滲碳、氮化、碳氮共滲、高頻淬火、噴丸強化、表面軋制等許多手段，不僅改變了零件表層的組織，提高了表面的硬度，而且造成表面殘余壓力，它和外力在表層產生的拉應力疊加后，可大大降低表面實際承受的拉應力值，從而使零件的疲勞強度和壽命顯著提高，在解決鋼零件抗彎曲、扭轉疲勞破壞和抗接觸疲勞破壞方面具有良好的效果。表面淬火和激光表面處理，楞細化亞晶粒尺寸，并造成表層殘余壓應力，從而提高零件的疲勞強度。

表面冷擠壓是通過對平面和內孔的擠壓，提高表面光潔度，改變表層組織與殘余應力狀態來提高疲勞性能的。許多軸類零件和帶孔板材的孔邊緣處，常采用冷擠強化，效果顯著。

（作者單位 遼寧省本溪市機電工程學校）

編輯 謝尾合