屈服失效、斷裂失效、疲勞失效介紹

失效是指材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在外部作用下（如應(yīng)力、溫度、化學(xué)腐蝕等）無法繼續(xù)履行其設(shè)計功能的現(xiàn)象。在工程和材料科學(xué)中，失效通常意味著材料的破壞、性能嚴重下降或結(jié)構(gòu)功能的喪失。失效可能導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、裂紋、斷裂。

常見失效形式

失效不一定意味著物理上的斷裂或損壞，而是指系統(tǒng)在某種程度上不再滿足設(shè)計要求。失效可以包括變形、性能下降、超出允許的疲勞極限等現(xiàn)象。本文介紹常見的失效形式：屈服失效、斷裂失效、疲勞失效。

01

屈服失效

• 定義

屈服失效發(fā)生在材料承受的荷載超過其屈服強度時，材料進入塑性階段，發(fā)生顯著的變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無法恢復(fù)原狀。

• 機理

屈服失效的機理是材料的屈服強度被超過，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的滑移、晶格的滑動等現(xiàn)象，進而引起宏觀的塑性變形。

鋼材和鋁材等金屬材料的屈服失效比較常見，而混凝土通常不會發(fā)生顯著的屈服，而是破裂。

• 強度理論

判斷復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下（多向受力）材料是否開始屈服的理論準則。

【1】畸變能密度理論

畸變能密度理論也稱馮·米塞斯應(yīng)力準則(Von Mises Stress Criterion），當構(gòu)件中某點的畸變能密度（形狀改變比能）達到材料單向拉伸屈服時的畸變能密度值時，該點開始屈服。

此理論更符合大多數(shù)韌性材料的實驗結(jié)果，應(yīng)用廣。

Von Mises準則基于形變能理論，它假設(shè)材料的屈服不是由總應(yīng)力的大小決定，而是由材料內(nèi)的剪切變形能積累到某一臨界值（單向拉伸時的極限值）時發(fā)生。形變能可以看作是材料在變形過程中所儲存的能量。

三維應(yīng)力狀態(tài)：

σv：等效應(yīng)力

σ1、σ2、σ3：是材料在某點處的主應(yīng)力

【2】最大剪應(yīng)力理論

Tresca Stress Criterion也稱為最大剪切應(yīng)力準則，是一種經(jīng)典的屈服準則，用于預(yù)測材料在受力時何時會發(fā)生屈服。它主要用于分析延性金屬材料的塑性行為，特別是在剪應(yīng)力主導(dǎo)的應(yīng)力狀態(tài)下。

σ1和σ3：是材料在某點處的最大和最小主應(yīng)力。

Tresca準則基于最大剪切應(yīng)力理論，認為材料的屈服發(fā)生在最大剪應(yīng)力達到材料的屈服剪應(yīng)力（也稱為極限剪應(yīng)力）時。具體來說，該準則假設(shè)材料的屈服是由于材料內(nèi)部的剪切滑移引起的。因此，無論在什么應(yīng)力條件下，當材料中某處的剪應(yīng)力超過材料的剪切屈服強度（單向拉伸時的極限值）時，材料便會開始屈服。

02

斷裂失效

• 定義

當材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并逐漸擴展，當材料的極限強度被超過時，最終導(dǎo)致材料的分離或斷裂。

• 類型

斷裂失效可以分為脆性斷裂和韌性斷裂。

脆性斷裂：斷裂時幾乎無塑性變形，脆性材料無顯著塑性變形即突然斷裂，斷口平齊；如鑄鐵、陶瓷斷裂。

韌性斷裂：斷裂前有較大的塑性變形，韌性材料經(jīng)歷頸縮后斷裂，斷口呈杯錐狀；如鋁合金失效。

• 強度理論

工程上常用的斷裂準則主要有最大拉應(yīng)力準則和最大伸長線應(yīng)變準則，即第一和第二強度準則。

【1】最大拉應(yīng)力準則

當材料的最大主應(yīng)力達到或超過材料的抗拉強度時，材料將發(fā)生斷裂。這一準則假設(shè)材料的破壞是由拉伸應(yīng)力引起的。該準則認為，無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的原因是斷裂點的最大拉應(yīng)力達到了在單向拉伸的極限值。

σmax：最大主應(yīng)力

σb：材料的抗拉強度

適用于脆性材料，如陶瓷、玻璃、鑄鐵等，這類材料在拉伸應(yīng)力作用下容易斷裂。 該準則沒有考慮另外兩個主應(yīng)力的影響，且不能應(yīng)用于無拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)。

【2】最大伸長線應(yīng)變準則

當材料的最大主應(yīng)變達到某一臨界值時，材料發(fā)生斷裂。這一準則特別關(guān)注材料在變形時的失效行為。該準則認為，無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的原因是斷裂點的 最大伸長線應(yīng)變達到了在單向拉伸時的極限值。

σ1：最大主應(yīng)力，

σ2：第二大主應(yīng)力

σ3：第三大主應(yīng)力

ν：材料的泊松比

σb：材料的抗拉強度

最大伸長線應(yīng)變準則適用于一些對應(yīng)變敏感，應(yīng)變主導(dǎo)的條件下發(fā)生失效的材料，尤其是脆性材料，如花崗巖、混凝土等，又如酚醛樹脂、熱固性樹脂等脆性聚合物。

【3】 Johnson-Cook斷裂準則

Johnson-Cook斷裂準則（Johnson-Cook Fracture Criterion）是一種用于描述材料在大變形、高應(yīng)變速率和高溫條件下的損傷積累和斷裂行為的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

該準則與Johnson-Cook本構(gòu)模型密切相關(guān)，通常用于描述金屬材料在動態(tài)沖擊、爆炸和穿透等條件下的斷裂。

該準則綜合考慮了應(yīng)力三軸度、應(yīng)變速率和溫度對失效應(yīng)變的影響。核心是一個基于塑性應(yīng)變和應(yīng)力三軸度的失效應(yīng)變公式。

03

疲勞失效

疲勞失效發(fā)生在材料長時間承受反復(fù)的循環(huán)載荷時。即使應(yīng)力水平低于材料的屈服強度，反復(fù)的應(yīng)力變化會導(dǎo)致微小裂紋的萌生和擴展，最終導(dǎo)致斷裂。疲勞失效通常出現(xiàn)在機械零件或橋梁等承受周期性載荷的結(jié)構(gòu)中。

【1】疲勞失效階段

疲勞失效的發(fā)生過程可以分為三個階段，經(jīng)過三階段后最終疲勞失效。

第一階段：裂紋萌生階段

在材料表面或內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域，微小的缺陷、孔洞、夾雜物或材料的異質(zhì)性會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。在反復(fù)加載的作用下，這些區(qū)域逐漸積累塑性變形，最終形成初始裂紋。

第二階段：裂紋擴展階段

一旦裂紋形成，隨后的每一個載荷循環(huán)都會導(dǎo)致裂紋的進一步擴展。裂紋擴展的速率取決于材料的韌性、循環(huán)應(yīng)力幅值以及環(huán)境因素。疲勞裂紋擴展的特征是每個循環(huán)引發(fā)的裂紋擴展長度非常小，但累積效應(yīng)會導(dǎo)致裂紋逐漸擴展至危險長度。

第三階段：最終失效階段

當裂紋擴展到某一臨界尺寸時，剩余的未損傷截面無法承受外部載荷，導(dǎo)致材料的突然斷裂或失效。這種斷裂通常發(fā)生在一個加載周期內(nèi)，因此常被視為突發(fā)性的。

【2】疲勞失效類型

疲勞失效通常分為兩大類：應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。這兩種類型的疲勞失效主要根據(jù)其失效機制和條件來區(qū)分。

• 應(yīng)力疲勞（Stress Fatigue）

應(yīng)力疲勞也稱為高周疲勞，是指在較低的應(yīng)力水平下，經(jīng)歷長時間的循環(huán)加載后發(fā)生的疲勞失效。這種類型的疲勞通常發(fā)生在循環(huán)周次非常多的情況下，例如在數(shù)萬次以上的加載周期。應(yīng)力疲勞的主要特點是應(yīng)力水平較低，但循環(huán)次數(shù)多，因此材料的疲勞壽命通常較長。在設(shè)計中，應(yīng)力疲勞通常用許用應(yīng)力值來控制。

• 應(yīng)變疲勞（Strain Fatigue）

應(yīng)變疲勞，也稱為低周疲勞，是在較高的應(yīng)力水平下，循環(huán)次數(shù)較少的情況下發(fā)生的疲勞失效。這種類型的疲勞發(fā)生在如壓力容器和汽輪機零件等高應(yīng)力區(qū)體積較大的部件中。應(yīng)變疲勞的特點是應(yīng)力水平較高，循環(huán)次數(shù)較少，導(dǎo)致材料的疲勞壽命相對較短。在實際應(yīng)用中，應(yīng)變疲勞通常用許用應(yīng)變值來控制。

【3】應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞對比

應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞的主要區(qū)別在于應(yīng)力水平和循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力疲勞發(fā)生在較低的應(yīng)力水平下和較長的周期，而應(yīng)變疲勞則發(fā)生在較高的應(yīng)力水平和較短的周期。理解這兩種疲勞失效機制對于正確設(shè)計和選擇材料，以及預(yù)測產(chǎn)品的使用壽命至關(guān)重要。