失效、失效分类、失效和破坏、材料失效理论：最大主应力理论、最大剪切应力理论、最大畸变能理论
本文摘要：（由ai生成）
本文讨论了材料失效的定义、分类、与破坏的区别以及失效理论。失效是指材料或结构无法继续履行设计功能的现象，包括强度失效、疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和应力腐蚀失效等。失效与破坏的区别在于失效是功能上的损失，而破坏是物理上的断裂。材料失效理论包括兰金理论、特雷斯卡理论、冯·米塞斯理论、库仑-莫尔理论和修正莫尔理论。文章还涉及了煤岩体失效的类型、机理和防治措施，强调了煤岩体失效的严重性和防治的重要性。
编者按：当在进行岩石实验力学加载时，我们有时说试样失效了，有的时候说试样破坏了，它们有啥区别？到底什么是失效？失效的判据有哪些？笔者整理了一些材料，方便自己复习，顺便分享出来，如果对你也有帮助那就更好啦！
失效及其分类
失效和破坏的区别
材料失效理论
煤岩体的失效
一、失效及其分类
失效是指材料、结构或系统在外部作用下（如应力、温度、化学腐蚀等）无法继续履行其设计功能的现象。在工程和材料科学中，失效通常意味着材料的破坏、性能严重下降或结构功能的丧失。失效可能导致材料或结构产生永久变形、裂纹、断裂，甚至是彻底崩溃。
（1)失效的分类
根据失效的不同表现和机制，失效通常可以分为以下几类：
1.强度失效（屈服或断裂）①屈服失效：当材料受力超过其屈服强度时，材料产生永久的塑性变形，不能恢复到原来的形状或尺寸，这被称为屈服失效。通常发生在金属或其他具有显著塑性变形能力的材料中。②断裂失效：当材料内部产生裂纹并逐渐扩展，最终导致材料的分离或断裂，这种失效通常发生在材料的极限强度被超过时。断裂失效可以分为脆性断裂（断裂时几乎无塑性变形）和延性断裂（断裂前有较大的塑性变形）。
2.疲劳失效：疲劳失效发生在材料长时间承受反复的循环载荷时。即使应力水平低于材料的屈服强度，反复的应力变化会导致微小裂纹的萌生和扩展，最终导致断裂。疲劳失效通常出现在机械零件或桥梁等承受周期性载荷的结构中。
3.蠕变失效：蠕变失效是指材料在长期承受恒定载荷或高温下缓慢产生永久变形的现象，通常出现在高温环境下的材料中，如涡轮叶片和锅炉管道。蠕变失效随着时间的推移，会导致材料的变形量逐渐积累，最终导致结构的功能失效。
4.腐蚀失效：腐蚀失效是由于材料与环境中的化学物质（如氧气、水、酸、碱等）反应，导致材料性能退化和破坏的现象。常见的腐蚀类型包括大气腐蚀、应力腐蚀、海水腐蚀等。腐蚀失效通常伴随着材料的脆化、变薄或局部的穿孔。
5.磨损失效：磨损失效发生在材料表面由于摩擦、接触、滑动等作用而逐渐损耗，最终导致零件功能的丧失。这在机械设备的运动部件中较为常见，如轴承、齿轮等。
6.应力腐蚀失效：应力腐蚀失效是材料在拉应力和腐蚀介质共同作用下发生的破坏。此类失效在表面有缺陷的金属中尤为常见，裂纹在腐蚀的同时迅速扩展，导致突然的脆性断裂。
（2）失效的工程影响
失效在工程中通常会带来严重的后果，例如：
①结构倒塌：如桥梁、建筑物在失效时可能会引发坍塌。②设备损坏：机械设备中的失效可能导致功能停滞、机器损坏，甚至带来生产事故。③安全事故：失效还可能引发安全事故，造成人员伤亡或环境破坏，如飞行器、汽车、船舶等失效时可能带来重大事故。
（3）失效的防止
为了防止失效，工程中通常会采取以下措施：
①材料选择：根据使用环境选择合适的材料，确保材料的强度、韧性和耐腐蚀性满足要求。②结构优化设计：通过减少应力集中点、采用更合理的设计，避免过大的局部应力。③热处理和表面处理：通过热处理提高材料的强度和韧性，表面处理如喷涂、防腐层可以防止腐蚀失效。④疲劳寿命设计：在设计中考虑疲劳极限，确保在使用寿命内不会发生疲劳失效。⑤监测与维护：通过定期监测和维护，及时发现材料或结构中的缺陷，并进行修复或更换。
二、失效和破坏的区别
（1）定义上的区别
失效（Failure）：是指材料、部件、结构或系统无法继续执行其设计功能的现象。失效不一定意味着物理上的断裂或彻底损坏，而是指系统在某种程度上不再满足设计要求。失效可以包括永久变形、性能下降、超出允许的疲劳极限等现象。
破坏（Fracture/Destruction）：是指材料或结构在受力或外部作用下发生显著的物理断裂或崩溃，通常伴随有裂纹的产生和扩展，直至材料或结构的彻底分离或崩溃。破坏通常指材料的局部或整体断裂。
（2）物理表现上的区别
失效的物理表现：
材料可能仍然保持整体结构，但已经发生了塑性变形或性能下降。
失效可以是逐渐的，如蠕变、疲劳、老化，或者材料不能再承受设计负荷。
例如，机器零件在超过疲劳寿命后可能仍然保持完整，但由于疲劳损伤导致性能下降，无法 正常工作，这是失效但未必破坏。
破坏的物理表现：
通常是断裂或崩溃，结构完整性丧失。
破坏往往是突发性的、不可逆的，尤其是脆性材料在应力超过临界值时会突然断裂。
例如，玻璃在受冲击时会突然破裂，或者钢梁在极限载荷下断裂，这就是典型的破坏。
（3）时间维度上的区别
失效可以是渐进的，例如，材料在长时间的载荷或环境作用下会慢慢失去性能，如蠕变失效、腐蚀失效、疲劳失效等。
破坏通常是瞬时的，即当材料达到某个临界条件时（如应力超过材料的抗拉强度或剪切强度），会立即发生断裂或崩溃。
（4）举例说明
失效的例子：
一个金属零件在长时间使用后，由于疲劳引起微观裂纹，虽然没有断裂，但其强度已不足以继续正常承载设计负荷，这时可以认为该零件失效了。
一根电缆因为材料的老化，导电性能下降，虽然没有物理断裂，但无法再满足电力传输的要求，这也是失效。
破坏的例子：
一个玻璃杯受到外力撞击后，瞬间破裂，杯子分为多块，这种情况是破坏。
一座桥梁在超负荷作用下突然倒塌，是破坏现象。
（5）工程应用中的区别
失效通常是指系统或组件不再能够完成其预期的功能，但在某些情况下，它可能仍然维持一定的物理完整性。例如，机械设备失效可以是由于部件的磨损、润滑失效或疲劳，但零件未必断裂。
破坏则指的是更严重的物理问题，通常是结构上的彻底损坏或材料断裂。在破坏发生时，材料或结构通常无法再保持任何功能。
总结
失效是指材料或结构失去功能，它可以包括但不限于破坏。失效的范围更广，既可以是功能上的损失，也可以是结构的永久性变形。
破坏是指材料或结构的物理断裂或崩溃，是一种特定的、通常严重的失效形式。破坏往往意味着材料或结构彻底失去使用价值。
三、材料失效理论
材料失效理论（Failure Theories）用于预测材料在复杂应力状态下的破坏情况。不同的失效理论基于材料的不同破坏机制和实验观察。常见的失效理论包括兰金理论（最大主应力理论）、特雷斯卡理论（最大剪切应力理论）、冯·米塞斯理论（最大畸变能理论）、库仑-莫尔理论和修正莫尔理论。下面详细介绍这些失效理论及其物理数学原理，并通过例子进行说明。
1. 兰金理论（最大主应力理论）
（1）物理和数学原理
兰金理论（Rankine Theory）假设材料的失效由最大主应力（principal stress）控制。该理论认为，当材料的最大主应力达到材料的抗拉强度 σult 或抗压强度σcomp 时，材料就会失效。数学表达式为：
这里，和分别是材料的最大和最小主应力，通常是拉应力，而是压应力。
（2）举例
例如，假设有一个拉伸试件，其抗拉强度，抗压强度。在试件上的应力状态为主应力和。
对于拉伸失效：因为小于材料的抗拉强度，所以不会发生拉伸失效。
对于压缩失效：小于抗压强度，所以不会发生压缩失效。
因此，在这种应力状态下，材料不会失效。
2. 特雷斯卡理论（最大剪切应力理论）
（1）物理和数学原理
特雷斯卡理论（Tresca Theory）基于材料的失效由最大剪切应力 控制。特雷斯卡理论认为，当材料中的最大剪切应力达到材料的剪切屈服强度时，材料会屈服或失效。最大剪切应力的数学表达式为：
失效准则为：
（2）举例
假设一个材料的剪切屈服强度，应力状态为，。最大剪切应力为：
由于，材料在此状态下会发生屈服。
3. 冯·米塞斯理论（最大畸变能理论）
（1）物理和数学原理
冯·米塞斯理论（Von Mises Theory）基于材料在复杂应力状态下的畸变能（distortion energy）。该理论认为，材料的屈服与总能量中的畸变能密度有关。当畸变能密度达到材料的屈服强度时，材料会屈服。冯·米塞斯屈服准则的数学表达式为：
当等效应力达到材料的屈服强度时，材料会失效：
（2）举例
假设一个材料的屈服强度，主应力为，，。计算等效应力：
由于，材料不会屈服。
4.莫尔-库仑理论
（1）物理和数学原理
莫尔-库仑理论（Mohr-Coulomb Theory）用于描述脆性材料的失效行为。该理论结合了拉应力和剪应力对失效的共同影响，假设材料在受到剪切应力和法向应力作用时失效。库仑-莫尔准则的数学表达式为：
其中：
是剪切应力，
是材料的内聚力，
是法向应力，
是摩擦角。
（2）举例
假设一个岩石的内聚力，摩擦角，法向应力。此时的剪切应力为：
当剪切应力达到材料的极限值时，材料会失效。
5. 修正莫尔理论
（1）物理和数学原理
修正莫尔理论（Modified Mohr Theory）是对库仑-莫尔理论的改进，特别适用于金属材料。该理论假设材料在三轴应力状态下的失效不仅依赖于剪切应力，还受到主应力的综合作用。它结合了最大主应力和剪应力的双重效应来预测失效。其失效准则为：
通常需要根据实验数据确定具体的失效条件。
（2）举例
假设有一个材料在主应力，处进行修正莫尔失效分析，实验数据表明该材料在此应力状态下接近失效。
四、煤岩体的失效
煤岩体的失效指的是煤矿开采或工程过程中，煤岩体因受到外部应力或其他因素影响，导致其失去承载能力、产生破坏或崩塌的现象。煤岩体的失效与其物理力学特性、应力状态、外部条件（如开采、温度、湿度等）密切相关。煤岩体的失效通常会引发一系列的工程问题，如塌方、冲击地压、煤与瓦斯突出等。下面详细介绍煤岩体失效的类型、机理和防治措施。
1. 煤岩体失效的类型
1.1 屈服失效
煤岩体在受力超过其屈服强度后会发生屈服失效，即煤岩体发生了不可逆的塑性变形。这种失效通常发生在煤矿开采过程中，当开采应力超过煤层或围岩的屈服极限时，煤岩体开始发生塑性变形，最终可能导致煤岩体的坍塌或塌方。
1.2 脆性断裂失效
煤岩体，尤其是煤层，多数表现出脆性材料的性质。在应力超过其极限强度后，煤岩体容易发生突然的脆性断裂失效。脆性断裂一般是应力集中或煤岩体内部裂隙引发的，当裂纹扩展速度超过临界值时，材料会突然断裂。这种失效往往发生在低温或高应力集中区域，例如裂纹尖端或缺陷处。
1.3 冲击地压失效
冲击地压是煤岩体在深部开采过程中，因高地应力作用导致煤岩体突然破坏并释放出大量能量的现象。这是一种动态失效形式，表现为煤岩体剧烈的振动、岩石弹射和坍塌，通常伴随显著的地震波。冲击地压常见于深井煤矿中，发生时对人员、设备、巷道安全构成重大威胁。
1.4 煤与瓦斯突出失效
煤与瓦斯突出是煤层中的瓦斯气体由于应力集中作用或煤体破坏迅速从煤岩体中释放，并伴随大量煤炭被喷射出巷道的现象。这种失效与煤层中的瓦斯压力、应力集中和煤体性质有关。煤与瓦斯突出属于煤矿的动力灾害，严重威胁矿井安全。
1.5 蠕变失效
在深部煤矿或长期受压状态下，煤岩体会发生蠕变失效。蠕变是指煤岩体在恒定应力或高温下，随着时间的推移逐渐产生永久变形的现象。这种现象可能导致煤岩体逐渐失去承载能力，最终发生失稳、塌陷或断裂。
1.6 应力腐蚀失效
煤岩体内部的水、酸性气体（如瓦斯、二氧化碳）等腐蚀介质可能引发应力腐蚀失效。在应力和腐蚀介质的共同作用下，煤岩体的局部区域会形成裂纹，并随着应力集中而扩展，最终导致煤岩体失效。
2. 煤岩体失效的机理
煤岩体失效的发生与其内部结构、外部应力、材料属性及外界环境的共同作用密切相关。主要的失效机理包括：
2.1 应力集中
应力集中是煤岩体失效的主要诱因之一。煤岩体内部常存在裂隙、节理、断层等天然不连续面，这些几何不连续性使得应力在局部区域集中。当局部应力超过材料的极限强度时，煤岩体发生破坏。
2.2 裂纹扩展
煤岩体中的裂纹扩展是脆性失效的关键机制。在外部应力作用下，裂纹尖端的应力集中会导致裂纹逐渐扩展，直到材料发生断裂。煤岩体中的天然裂隙或采矿过程中产生的裂纹，通常是失效的起始点。
2.3 软硬交替层的不均匀变形
煤层和围岩往往具有不同的力学性质，软煤层与硬围岩的力学差异会导致应力分布不均。当开采过程中围岩变形受限时，煤层可能承受更大的应力，产生局部破坏。
2.4 瓦斯压力和应力相互作用
煤与瓦斯突出失效的发生与瓦斯压力密切相关。瓦斯气体在煤岩体中的渗透与积累，会提高内部的压力。在应力集中或煤岩体破坏的情况下，瓦斯压力迅速释放，导致煤体和瓦斯一起突出，造成灾害性失效。
2.5 动态应力和地应力场变化
在深部开采中，由于地应力场变化，煤岩体受到的应力不断调整，导致煤岩体局部应力迅速升高，引发动态失效，例如冲击地压等现象。
3. 煤岩体失效的防治措施
为了避免或减轻煤岩体失效带来的危害，工程实践中采取了多种防治措施：
3.1 支护系统加强
对巷道和开采工作面的煤岩体进行支护是防止失效的基本措施之一。常用的支护方法包括：
锚杆支护：通过锚固岩体，防止其局部破坏。
钢架支护：在应力集中区或高危险区域设置钢架，提供额外的支撑力。
喷射混凝土：在巷道表面喷射混凝土，增强岩体的整体性和强度。
3.2 应力监测与预警
通过布设应力监测仪器，实时监测煤岩体内部的应力状态，可以提前预警可能发生的失效。在失效前采取主动措施（如卸压、加固）来避免灾害的发生。
3.3 预裂爆破与卸压
在煤层或围岩内进行预裂爆破，可以释放煤岩体中的应力集中区域，降低失效风险。通过定向钻孔或爆破技术，提前释放局部高应力，防止瓦斯突出或冲击地压。
3.4 监测瓦斯含量与排放
针对煤与瓦斯突出失效，通过加强瓦斯监测，确保瓦斯浓度和压力在安全范围内。同时，通过钻孔排放瓦斯，降低煤体中的瓦斯含量，减少瓦斯突出风险。
3.5 选择合理的开采顺序
合理的开采顺序可以避免应力集中和煤岩体的大面积失稳。例如，先开采低应力区或分步开采，逐步减小应力集中效应。
3.6 水力压裂与注浆加固
通过水力压裂技术在煤层内形成裂隙网络，控制裂纹扩展，降低应力集中。同时，注浆加固可以提高煤岩体的强度，减少裂隙的产生和扩展。
