课堂：金属材料失效分析之变形失效

      在常温或温度不高的情况下的变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效。弹性变形失效主要是变形过量或丧失原设计的弹性功能，塑性失效一般是变形过量。在高温下的变形失效有蠕变失效和热松弛失效。

应力-应变曲线

      在弹性状态下，固体材料吸收了加载的能量，依靠原子间距的变化而产生变形，但因未超过原子之间的结合力，当卸载时，全部能量释放，变形完全消失，恢复材料的原样。要有好的弹性，应从提高材料的弹性极限及降低弹性模量入手。

     金属弹性形变的特点：

    （1）可逆性。金属材料的弹性变形具有可逆的性质，即加载时，卸载后恢复到原状的性质；

    （2）单值性。金属材料在弹性变形过程中，不论是加载阶段还是卸载阶段，只要在缓慢的加载条件下，应力与应变都保持正比的单值对应的线性关系，即符合胡克定律； 

    （3）变形量很小。金属的弹性变形主要发生在弹性阶段，但在塑性阶段也伴随着发生定量的弹性 交形。但两个阶段弹性变形的总量是很小的，加起来一般小于0.5%-1.0%。

      构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称为过量的弹性变形失效，判断方法如下：

    （1）失效的构件是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温的工作条件；

    （2）注意观察在正常工作时，构件互相不接触，而又很靠近的表面上是否有划伤、擦伤或磨损的痕迹。只要观察到这种痕迹，而且构件停工时，构件相互间仍有间隙，便可作为判断的依据；

    （3）在设计时是否考虑了弹性变形的影响及采取了相应的措施；

    （4）通过计算验证是否有过量弹性变形的可能；

    （5）由于弹性变形是晶格的变形，可用X射线法测量金属在受载时的晶格常数的变化验证是否符合要求。

     当构件的弹性变形已不遵循变形可逆性、单值对应性及小变形量的特性时，则构件失去了弹性功能而失效。

     过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因，预防措施如下：

     （1）选择合适的材料或构件结构；

    （2）确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件，对于拉压变形的杆柱类零件、弯扭变形的轴类零件，其过量的弹性变形都会因构件丧失配合精度导致动作失误，要求精确计算可能产生的弹性变形及变形约束而达到适当的配合尺寸；

     （3）采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。

     塑性表示材料中的应力超过屈服极限后，能产生显著的不可逆变形而未立即破坏的形态，这种显著且不可逆的变形称为塑性变形。通常反映材料塑性性能优劣的指标是伸长率δ和断面收缩率φ。伸长率和断而收缩率越高，则塑性越好。金属的塑性变形一般可看作是晶体的缺陷运动。

      金属塑性变形的特点：

    （1）不可逆性，金属材料的塑性变形不可恢复，当材料应力等于或高于屈服极限后产生的变形，在卸载后，其变形仍然保留在材料内。塑性变形的微观机制表明，位错运动及增殖，使晶体实现一个晶面在另一个晶面上的逐步滑移，宏观表面是卸载后塑性变形保留至可观察及测量；

    （2）变形量不恒定，金属是多晶体，各个晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，各晶粒变形有不同时性及不均匀性。一个构件在各个部位的塑性变形量不相同，因而个别塑性变形量大的部位将出现材料的不连续（断裂失效的裂源）；

    （3）慢速变形，金属的弹性变形以声速传播，但塑性变形的传播很慢；

    （4）伴随材料性能的变化，这主要因为塑性变形时金属内部组织结构发生变化，由位错运动及增殖实现了晶面的滑移，亚晶结构形成；晶粒歪扭，微裂纹等缺陷产生；如在材料加工中，随塑性 交形量增加，即产生了加工硬化，原因是位错密度增加、位错缠结、位错运动相互作用及运动阻力增加，其宏观表现就是应变硬化。   

      金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效，其变形失效判断以影响构件执行正常功能为依据。

     材料塑性变形失效的主要原因是过载，使构件的受力过大，出现影响构件使用功能的过量的塑性变形。过载不仅是对构件承受的外载荷估计不足，还应该包括偏载引起局部应力、复杂结构应力计算误差及应力集中、加工及热处理产生残余应力、材料微观不均匀的附加应力等因素，使构件受力不均，局部区域的总应力超值。

      塑性变形失效预防措施：

    （1）合理选材，提高金属材料抵抗塑性变形的能力，除了选择合适的屈服强度的材料，还要保证金属材料质量，控制组织状态及冶金缺陷；

     （2）准确地确定构件的工作载荷，正确进行应力计算，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平；

    （3）严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；

    （4）严禁构件运行超载；

    （5）监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。

     金属构件在高温长时间作用下，即使其应力值小于屈服强度，也会缓慢产生塑性变形，当该变形量超过规定的要求时，会导致构件的塑性变形失效。此时所称的高温为高于0.3T_m（T_m是以绝对温度表示的金属材料的熔点），一般情况下碳钢构件在300℃以上，低合金强度钢构件在400℃以上。

     金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。由蠕变变形和断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；提高持久强度，则必须控制晶界的滑动和空位扩散。

     压力容器的蠕变变形量一般规定在10⁵h为1%，即蠕变速率为10^-7mm/(mm·h)。

典型的蠕变曲线

     第一阶段ab为减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值；

     第二阶段bc为恒速蠕变阶段又称稳态蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段的蠕变速率ε表示的。

      第三阶段cd为加速蠕变阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到d点时产生蠕变断裂。

断口宏观特征

     断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）；

     高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。

断口微观特征

冰糖状花样的沿晶断裂形貌

     蠕变变形失效也是一种塑性变形失效，有塑性变形失效的特点，但蠕变失效也不一定是过载，只是载荷大时，蠕变变形失效的时间短，恒速蠕变阶段蠕变速度大。高温下不仅有蠕变变形引起的的构件外部尺寸的变化，还有金属内部组织结构特有的变化，导致高温力学性能下降、构件承载能力降、蠕变速度加快、失效加快。

     材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标。

     蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标，是高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。蠕变极限（MPa）表示方法有两种，一种是在规定温度下，使试样在规定时间内产生规定稳态蠕变速率的最大应力；另一种是在规定温度和时间下，使试样在规定时间内产生规定蠕变伸长率的最大应力。

     持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即材料在一定温度和时间条件下，不发生蠕变断裂的最大应力（蠕变极限指材料的变形抗力，持久强度表示材料的断裂抗力）。某些材料与机件，蠕变变形很小，只要求在使用期内不发生断裂（如锅炉的过热蒸汽管）。这时，就要用持久强度作为评价材料、机件使用的主要依据。

     材料在恒变形条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可以通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。剩余应力是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。剩余应力越高，松弛温度性越好。

     金属的蠕变是在应力不变的条件下，构件不断产生塑性变形的过程；而金属的松弛守则是在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程。

第1阶段：开始阶段应力下降很快；

第2阶段：应力下降逐渐减缓的阶段；

     松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力。

     预防高温松弛失效的措施是选用松弛稳定性好的材料。对紧固性构件的实际使用也可以在构件使用过程中对其进行一次或多次再紧固，即在构件应力松弛到一定程度时重新紧固，这是经济而又有效的方法。但要注意到再紧固会对松弛性能有所影响，因为每进行一次再紧固，材料都产生应变硬化，剩余应力有所下降，随着塑性应变的总量增加，材料最终断裂。