金屬材料的物理性質(zhì)在工程中的影響以及疲勞破壞的危害

馬良?史航?石曉曉

所謂金屬材料，是指金屬元素或金屬元素為主構(gòu)成的材料，具有金屬的性質(zhì)。我們常說的純金屬和合金（當然還有金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等）都在金屬材料這個大的范疇中。在實際的工程中，我們對于純金屬的應用很少，更多的研究和使用合金。材料力學和工程力學所研究的金屬材料，可以分為塑性材料和脆性材料兩大類。工程中常用的低碳鋼和鑄鐵，分別屬于塑性材料和脆性材料。一旦某種材料的構(gòu)件，其載荷超出其力學極限，材料會發(fā)生破壞，不同金屬材料的物理性質(zhì)則為我們提供了它們的力學極限，指導生產(chǎn)生活中的選擇。但并非所有破壞是在載荷超出力學極限才會發(fā)生，疲勞就是特殊的例子。所以，為了工程的安全，我們必須對于疲勞破壞進行深入的研究和了解。

1 金屬材料的物理性質(zhì)在工程中的影響

對于低碳鋼和鑄鐵而言，都是典型的鐵碳合金。近乎相同的化學組成，使鑄鐵和低碳鋼在化學性質(zhì)上并沒有明顯差異，理但是由于C含量的不同，兩者的物理性質(zhì)具有很大差別很大區(qū)別。

以低碳鋼為代表的塑性材料，其受力變形時，有明顯的塑性變形過程，其受力形變過程主要分為彈性階段，屈服階段，強化階段和頸縮階段。在開始外載荷較小時，塑性材料首先處于彈性階段的小變形。在這個階段，塑性材料的形變量與所受外載荷大小成正比例關系，且外載荷撤除后，形變可以完全恢復。如果外載荷達到比例極限后繼續(xù)增加，那么加大到一定程度則使塑性材料的形變處于屈服階段，這時的變形在撤除外載荷后已不能完全恢復，即金屬材料已失去了進一步抵抗變形的能力。外載荷繼續(xù)增加，會使塑性材料進入到強化階段，這時，即使外載荷不明顯增大，塑性材料的應變也會明顯增加。之后進入到頸縮階段，這個階段肉眼可以觀察到明顯的塑性變形，繼續(xù)加大外載荷，材料將會在頸縮處斷裂。

而相比于以低碳鋼為代表的金屬塑性材料，以鑄鐵為代表的脆性材料則不具有明顯的塑變過程。實際生產(chǎn)生活中，鑄鐵構(gòu)件受拉時，其拉斷破壞往往具有突然性。

在實際的工程上，對于房屋或大型工作平臺，我們一定會要求，材料不能是突然性的斷裂，發(fā)生徹底性斷裂之前，要先發(fā)生便于察覺的宏觀形變過程。塑性材料受力首先發(fā)生屈服階段，強化階段，而之后的頸縮可以使人們立即意識到環(huán)境的危險性而迅速地做出求救或撤離的安全措施，這也是防震、防災的需要。反觀脆性材料，其過載時的突然性斷裂會使得事故的破壞性和傷亡程度大大增加。基于這一點，我們在選擇房屋構(gòu)建材料時，會首先選用塑性材料。

以低碳鋼為代表的塑性材料，具有更好的韌性和延展性，這就使得塑性材料的構(gòu)件便于加工（便于切削等），也使得塑性材料常用于熱鍛，冷鍛等加工手法中。

除此之外，一般情況下，塑性材料的抗拉強度明顯強于脆性材料（Q235鋼的抗拉強度為375-460MPa，灰鑄鐵HT200抗拉強度是200MPa）。所以就抗拉性能而言，塑性材料較好。鑄鐵的拉壓剛度則有明顯區(qū)別，抗拉強度遠低于抗壓強度。對于塑性材料，其拉，壓強度基本相同。塑性材料的抗剪能力很低，很容易發(fā)生剪切破壞。這一現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中比較常見，當塑性材料受拉發(fā)生斷裂時，我們會發(fā)現(xiàn)其斷口并非水平，而是大約成傾斜45度，這正是由于剪切破壞造成的。同理，鑄鐵在拉伸變形時，斷口大致成水平，這便是拉斷破壞的結(jié)果。

以低碳鋼為代表的塑性材料，具有更好的韌性和延展性，這就使得塑性材料的構(gòu)件便于加工（便于切削等），也使得塑性材料常用于熱鍛，冷鍛等加工手法中。

比起塑性材料，脆性材料具有很好的吸振性，在實際的生產(chǎn)和生活中，振動會是一柄雙刃劍，他在造福人類的同時也為生產(chǎn)生活埋下了隱患，必要時候，需要減振來避免麻煩或危險，此時，脆性材料就成為了不錯的選擇。

另外以鑄鐵為代表的脆性材料的高硬度高脆性決定其必然具有很好的耐磨性，所以在機械制造中，耐磨構(gòu)件可以選擇脆性材料。

2 疲勞破壞

物理性質(zhì)決定材料的力學性能，外載荷超出力學承載能力，必然發(fā)生相應破壞。在實際生產(chǎn)和生活中，很多破壞發(fā)生時，外載荷卻遠低于材料的力學承載能力。

汽車車內(nèi)的軸承，不斷與車輪，車軸進行著往復的相互運動，當我們的車子行駛累計到一定里程時，我們車子的軸承可能突然發(fā)生破壞，在行駛的途中，這是相當危險的。我們不禁要問，車子每天都是這樣跑的，軸承破壞時的路況、載重量等因素與平日里是一模一樣的，并沒有過載工作，但今天軸承在安全力學極限范圍內(nèi)的突然破壞，著實讓人費解。

除了汽車軸承破壞，航空發(fā)動機高壓渦輪盤的裂紋，柴油機齒輪的失效等，這些破壞，都屬于我們接下來要說的疲勞破壞。

疲勞，究其定義，是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。通過疲勞的定義和疲勞破壞的實例，我們不難發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞具有以下特點：

（1）疲勞破壞中材料所受的并不是固定載荷，而是交變載荷。（2）疲勞破壞是一個時間積累的過程，即需要交變載荷的反復作用。（3）疲勞斷裂不具有時間緩沖性，是瞬時性的破壞。（4）任何材料在疲勞斷裂區(qū)的破壞的都是脆性的。

通過這些特點，我們不難發(fā)現(xiàn)兩個問題。

首先對于疲勞破壞而言，塑性材料不再具有時間緩沖優(yōu)勢，即對于任何材料，疲勞破壞都會導致突然性的斷裂，這就使得我們的建筑、工作平臺，在發(fā)生徹底斷裂性破壞之前無法給予人們足夠的信號和時間。

另外，對于疲勞斷裂，它發(fā)生在外載荷沒有達到許用載荷，甚至是遠遠小于許用載荷的情況下，也就是，疲勞斷裂，并不是根據(jù)書上所給的強度公式，就可以輕易地計算或測算出來的，所以其預防難度也就大于我們常規(guī)的強度剛度破壞。

所以，基于以上原因，我們可以說，對于生產(chǎn)在生活中來講，疲勞斷裂是工程上最為常見，同時也是最危險的斷裂形式。工程中，對于疲勞斷裂的防治是一個重要課題。

3 結(jié)束語

金屬材料在工程上具有廣泛的應用，研究不同金屬材料的性質(zhì)及其選擇，研究工程上金屬材料的不同破壞，是提高工程安全，產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，對于實際生產(chǎn)生活中具有極為重要的實用價值。

作者簡介

馬良（1993-），就讀于鄭州大學金屬材料科學與工程。