淺談失效形式中的脆性斷裂

摘 要：在三種主要失效形式中，斷裂，特別是沒有先兆的低應(yīng)力脆性斷裂，是工程材料應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題。因?yàn)榇鄶喈a(chǎn)生的事故后果往往是嚴(yán)重的。

關(guān)鍵詞：脆性斷裂；強(qiáng)度；硬度；殘余應(yīng)力

一、脆性斷裂的產(chǎn)生條件

1.缺口的存在，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂

缺口和裂紋還可導(dǎo)致該處應(yīng)力狀態(tài)的“硬化”。因?yàn)椴徽摷虞d方式如何，對(duì)所研究受力件中某一點(diǎn)，均可找出一個(gè)最大正應(yīng)力σmax和最大切應(yīng)力τmax。我們已經(jīng)知道只有切應(yīng)力才能產(chǎn)生塑性變形，并通過塑性變形吸收裂紋尖端能量，從而阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，所以τmax/σmax值的大小，反映了該處應(yīng)力狀態(tài)的軟硬程度。當(dāng)這比值很小時(shí)，產(chǎn)生塑性變形的可能性減小，應(yīng)力狀態(tài)變“硬”，當(dāng)裂紋尖端處于平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，切應(yīng)力分量為零，受的三向拉力，應(yīng)力狀態(tài)最硬，產(chǎn)生脆斷危險(xiǎn)最大。

2.加載速度增大，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來不及進(jìn)行時(shí)，也可使材料

脆化

如果在低溫下高速加載時(shí)，則脆斷的危險(xiǎn)特別嚴(yán)重。變動(dòng)載荷下的疲勞斷裂，也沒有明顯的塑性變形，它是局部損傷不斷積累的結(jié)果。

3.環(huán)境和介質(zhì)也可導(dǎo)致材料脆化

高強(qiáng)度鋼的氫致脆化，危害特別大。發(fā)生氫脆的溫度為-100℃～200℃之間。特定介質(zhì)中受拉應(yīng)力的許多材料產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕斷裂也是低應(yīng)力脆斷。玻璃、聚合物等的強(qiáng)度也與某些環(huán)境因素密切相關(guān)，如有機(jī)玻璃經(jīng)酒精浸漬后，抗拉強(qiáng)度大大下降。凡是環(huán)境效應(yīng)促成的脆性破壞，都可認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)力腐蝕問題。

二、標(biāo)注硬度與脆性的關(guān)系

硬度是機(jī)械工程中應(yīng)用最廣泛的一種材料性能指標(biāo)。硬度有許多種測(cè)量方法，通常應(yīng)用最多的是布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HBC、HRA、HRB），硬度值反映了材料表面對(duì)壓頭壓入的抗力大小。在機(jī)械零件圖中，都是通過標(biāo)注硬度來表明對(duì)零件強(qiáng)度性能要求的。在機(jī)械廠中，只要零件硬度在圖紙規(guī)定的范圍內(nèi)，就認(rèn)為是合格零件。這種沿用至今的傳統(tǒng)做法，在許多情況下是正確的、可行的。

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，只靠標(biāo)注硬度表明對(duì)零件的性能要求，已暴露出越來越多的問題。這種傳統(tǒng)做法有時(shí)是有害的，甚至是危險(xiǎn)的。這可從兩方面來認(rèn)識(shí)：

1.單一的硬度值，并不能表征材料機(jī)械性能的全貌，而且硬度并不是基本的力學(xué)性能指標(biāo)。測(cè)量硬度時(shí)壓痕周圍呈現(xiàn)很復(fù)雜的不均勻應(yīng)力應(yīng)變，通過它來分析和確定硬度的物理意義是困難的。

2.使用某一零件獲得某一硬度，可以不止一種途徑。如，可以通過不同的熱處理、變形等手段，獲得具有相同硬度值的不同組

織。硬度雖然相同，但不同組織的其他性能差別卻可以很大。所以設(shè)計(jì)零件時(shí)，圖紙上至少應(yīng)標(biāo)出材料牌號(hào)，熱處理工藝類型和硬度值要求主。對(duì)一些重要零件則應(yīng)標(biāo)注更具體、更全面、更嚴(yán)格的技術(shù)要求。有些重要工程設(shè)計(jì)實(shí)際就是這樣做的。

三、殘余應(yīng)力與脆性的關(guān)系

在鑄造、熱鍛、冷軋、焊接、切削加工、熱處理及許多表面強(qiáng)化工藝過程中，都會(huì)在零、構(gòu)件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種沒有外載就存在于零、構(gòu)件中的隱蔽的應(yīng)力與在外力作用下零件產(chǎn)生的應(yīng)力同等的重要。

在許多情況下，這類殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致零件或構(gòu)件的變形，甚至開裂應(yīng)力還可能使零件內(nèi)產(chǎn)生三向熱拉的應(yīng)力狀態(tài)，使零件“脆化”，甚至產(chǎn)生斷脆。殘余應(yīng)力還可使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破壞或加速腐蝕進(jìn)行。這些都是殘余應(yīng)力的消極影響，要努力加以防止，或及時(shí)予以消除。

一般認(rèn)為，通常在斷裂前產(chǎn)生顯塑性變形的材料，如低、中碳鋼等，當(dāng)其內(nèi)部有裂余應(yīng)力存在時(shí)，塑性變形便松弛了既存的殘余應(yīng)力。所以，對(duì)于這類材料，殘余應(yīng)力的存在對(duì)其斷裂時(shí)應(yīng)力的影響很小。

而對(duì)于那些呈脆性斷裂的材料，如，鑄鐵、淬火鋼、玻璃等。殘余應(yīng)力對(duì)它們的靜強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。如，通過急冷使表面層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力的鋼化玻璃，破壞它所需的靜力是普通玻璃的四倍。鑄鐵也有類似的行為。隨著材料塑性的降低，裂余應(yīng)力對(duì)材料靜強(qiáng)度的影響增大。

滲碳、氮化、碳氮共滲、高頻淬火、噴丸強(qiáng)化、表面軋制等許多手段，不僅改變了零件表層的組織，提高了表面的硬度，而且造成表面殘余壓力，它和外力在表層產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加后，可大大降低表面實(shí)際承受的拉應(yīng)力值，從而使零件的疲勞強(qiáng)度和壽命顯著提高，在解決鋼零件抗彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞破壞和抗接觸疲勞破壞方面具有良好的效果。表面淬火和激光表面處理，楞細(xì)化亞晶粒尺寸，并造成表層殘余壓應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。

表面冷擠壓是通過對(duì)平面和內(nèi)孔的擠壓，提高表面光潔度，改變表層組織與殘余應(yīng)力狀態(tài)來提高疲勞性能的。許多軸類零件和帶孔板材的孔邊緣處，常采用冷擠強(qiáng)化，效果顯著。

（作者單位 遼寧省本溪市機(jī)電工程學(xué)校）

編輯 謝尾合