金屬件的失效形式探究

朱巍峰 馮楠 陳正華 王彥科 張斯宇

摘 要：闡述了金屬件的塑性變形和斷裂兩種失效形式的概念，從機理上分析了失效產生的原因，總結了容易產生脆性斷裂的情況與位置。

關鍵詞：塑性變形;斷裂

1 緒論

隨著工業時代的發展，金屬件的應用日益廣泛，其形狀各種各樣，材料種類也日益豐富，金屬件應用的目的就是使得其能夠按照人們的意愿運行，在使用過程中出現金屬件不能正常使用的情況，通常表現為塑性變形和斷裂，我們稱之為失效。探究金屬零件的失效形式對于零件設計以及應用上來說，就顯得尤為重要。下面本文將從塑性變形與斷裂發生的機理上進行探究。

2 塑性變形

金屬件在受載情況下，會先進入彈性變形階段，此時變形是可逆的，卸載之后，零件恢復原狀。彈性變形在金屬中以彈性波的形式傳播，速度非常快，應力到達的瞬間彈性變形同時到達，所以我們認為彈性變形在金屬中的分布是均勻的。

如果繼續加載，零件承受的力超過一定值后，變形不能完全恢復，產生永久變形，此情況稱之為塑性變形，而塑性變形往往出現在承載能力較為薄弱的地方，其分布一般是不均勻的。塑性變形在某些場景是零件失效的一種，會影響到零件的使用。屈服極限是衡量材料抗屈服能力的一個重要參數，在靜載情況下我們認為，只要材料的應力不超過屈服極限，零件是不會產生塑性變形的。但是要注意的是，零件在交變應力作用下，即使應力低于屈服極限值，材料也可能會產生塑性變形。所以，在零件設計時，不僅要考慮零件的受力情況，也要考慮零件的工作狀態，考慮交變應力作用下，零件所能承受的載荷。

一般認為塑性變形過程是晶體的滑移或錯位所致，導致晶體滑移或位錯形成的是切應力，即在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于晶體的另一部分發生相對移動或切變，使得大量原子從一個位置移動到另一個位置，從而產生塑性變形。

3 斷裂

在金屬材料中，一般都存在有各種各樣的缺陷，如疏松、縮孔、偏析、夾雜物、雜質等。當外載荷施加到一定值時，在夾雜物、雜質等缺陷存在的晶界處，會引起缺陷本身的開裂，形成微觀孔洞，這些微孔隨著外載荷的增加而長大，聚集，最后形成裂紋，當裂紋擴展到一定程度后，導致零件破壞。同樣，對于空洞的產生，切應力的作用也要更加明顯一些。斷裂分為塑性斷裂和脆性斷裂。

3.1 塑性斷裂

塑性斷裂一般對于有變形強化的金屬才會出現，斷裂前會發生較為顯著的塑性變形，斷裂方式以穿晶形式為主，即裂紋穿過晶粒內部擴展。塑性斷裂可認為是微孔形成、擴大及連接的過程，在一定的應力作用下，金屬產生一定的塑性變形，此時在異相顆粒處產生應力集中，使得此部分的金屬被拉開形成微孔，當微孔擴大到一定程度，相鄰微孔間的金屬產生較大塑性變形后就發生微觀失穩，而后微孔擴大，逐漸將金屬分割開來，直至斷裂。

3.2 脆性斷裂

脆性斷裂是指材料沒有經過明顯的變形而發生的斷裂，此時幾乎沒有塑性變形的產生，但有時部分區域也會有一定的微小塑性變形。此種斷裂方式發生時，其承受的應力一般不會超過材料的屈服強度，甚至遠遠小于屈服強度。對于脆性材料，屈服強度已經不能成為衡量其受載能力的一種參數了。脆性斷裂在機理上的主要表現形式有沿晶斷裂、脆性穿晶斷裂。

3.2.1 沿晶斷裂

沿靜斷裂發生時，其裂紋首先在晶界上形成，而后繼續沿著晶界擴展，直至把金屬分開。此時晶粒的形狀都沒有發生變化，故金屬在沿晶斷裂時不發生任何塑性變形。其主要出現的情況有：（1）組織中出現了沿晶界分部的脆性第二相，割裂基體相晶粒之間的相互聯絡。（2）晶界上聚集了較多的雜質，降低了晶界強度。（3）熱處理時或其他情況導致過熱或過燒，致使晶界氧化，弱化了晶界。（4）零件工作溫度超過了等強溫度。

3.2.2 脆性穿晶斷裂

一般塑性斷裂的方式是以穿晶為主的，但對于沒有塑性強化能力的金屬，則其斷裂則容易發生脆性穿晶斷裂。同樣，這種斷裂方式在斷裂前材料基本上不發生塑性變形，裂紋一旦形成便快速擴展，裂紋沿著某一晶面從晶粒內部穿過，引起突然斷裂。此種裂紋形成的位置大多為：（1）應力集中處。（2）性能差別較大的相界處。（3）細微裂紋處。（4）有較脆的第二相尖端部位。

4 總結

無論是塑性變形還是斷裂在金屬零件的使用過程中都是我們不期望遇到的，特別是脆性斷裂，往往發生的比較突然，沒有明顯的征兆，容易造成比較嚴重的后果。所以研究金屬零件的失效形式是一個很重要的方向，對工業生產中零件的結構設計與材料的選用有著較大的指導意義。

參考文獻：

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