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發(fā)布時(shí)間：2023-10-02 09:56
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(yīng)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(huì)產(chǎn)生一系列影響，為了解決這些問(wèn)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。
失效是指物體或材料(無(wú)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(qiáng)度、穩(wěn)定性和化學(xué)成分而發(fā)生的破壞。導(dǎo)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(shè)計(jì)組件或結(jié)構(gòu)時(shí)，工程師往往需要將失效的可能性降至最低，因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)品組件發(fā)生失效時(shí)，無(wú)論是斷裂還是形狀改變，都將無(wú)法再發(fā)揮其預(yù)期功能。
失效的典型原因是材料選擇和加工不當(dāng)，以及組件設(shè)計(jì)不當(dāng)或使用不當(dāng)。在這種情況下，我們必須了解導(dǎo)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。
在材料科學(xué)中，疲勞是最常見(jiàn)的失效模式，也是通常會(huì)導(dǎo)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(huì)使裂紋增大一點(diǎn)，即使反復(fù)交替或循環(huán)應(yīng)力的強(qiáng)度大大低于正常強(qiáng)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(guò)失效模式和效應(yīng)分析，確定哪些疲勞危害可能會(huì)影響特定材料或產(chǎn)品。最常見(jiàn)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(duì)較低的應(yīng)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(yīng)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(kuò)展，直至達(dá)到臨界尺寸，此時(shí)突然斷裂。HCF 的主要特征包括
a.起始和擴(kuò)展： 裂紋從應(yīng)力集中點(diǎn)開(kāi)始，并在每個(gè)加載周期中逐漸擴(kuò)展。
b/表面光潔度和缺口： 表面光潔度和缺口等幾何特征會(huì)對(duì)裂紋的產(chǎn)生產(chǎn)生重大影響。表面更光滑、設(shè)計(jì)更合理的部件往往具有更長(zhǎng)的疲勞壽命。
c.受影響的材料： HCF 常見(jiàn)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(yīng)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(yīng)力水平更高，循環(huán)次數(shù)更少。它通常與塑性變形有關(guān)，塑性變形會(huì)導(dǎo)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(yīng)變或高負(fù)載的應(yīng)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(dǎo)致材料特性在加載循環(huán)過(guò)程中發(fā)生變化。這可能會(huì)導(dǎo)致局部變形、應(yīng)變集中，并最終引發(fā)裂紋。
b.應(yīng)變控制加載： 低疲勞通常是應(yīng)變控制的，這意味著施加的變形是驅(qū)動(dòng)疲勞過(guò)程的主要因素。
c.應(yīng)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(jī)械中的部件。
3.熱疲勞
當(dāng)材料暴露在周期性的溫度變化中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱疲勞。這會(huì)導(dǎo)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(yīng)力和應(yīng)變。熱疲勞與溫度波動(dòng)頻繁的應(yīng)用尤其相關(guān)，例如內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。熱疲勞的關(guān)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?yàn)樗鼈兊呐蛎浐褪湛s率各不相同。
b.溫度梯度： 部件上較大的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致應(yīng)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(huì)與循環(huán)熱應(yīng)力相互作用，影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)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(huì)削弱材料表面的強(qiáng)度，使其在循環(huán)應(yīng)力作用下更容易出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展。這種疲勞常見(jiàn)于暴露在干濕交替條件下的結(jié)構(gòu)，如橋梁或海上平臺(tái)。腐蝕疲勞的關(guān)鍵因素包括
a.腐蝕速率： 材料的腐蝕速度在決定裂紋增長(zhǎng)速度方面起著至關(guān)重要的作用。更快的腐蝕速度會(huì)導(dǎo)致更快的疲勞失效。
b.腐蝕類型： 點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫脆是導(dǎo)致腐蝕疲勞的常見(jiàn)機(jī)制。
c.材料敏感性： 某些材料由于易受某些腐蝕機(jī)制的影響，因此對(duì)腐蝕疲勞更為敏感。
疲勞失效包含一系列可導(dǎo)致材料在循環(huán)加載下降解和斷裂的機(jī)理。這些機(jī)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(duì)材料設(shè)計(jì)和部件性能的影響。工程師和材料科學(xué)家必須仔細(xì)考慮這些因素，以增強(qiáng)抗疲勞性，確保材料和結(jié)構(gòu)在各種應(yīng)用中的可靠性。
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