金属件的失效形式探究

朱巍峰 冯楠 陈正华 王彦科 张斯宇

摘 要：阐述了金属件的塑性变形和断裂两种失效形式的概念，从机理上分析了失效产生的原因，总结了容易产生脆性断裂的情况与位置。

关键词：塑性变形;断裂

1 绪论

随着工业时代的发展，金属件的应用日益广泛，其形状各种各样，材料种类也日益丰富，金属件应用的目的就是使得其能够按照人们的意愿运行，在使用过程中出现金属件不能正常使用的情况，通常表现为塑性变形和断裂，我们称之为失效。探究金属零件的失效形式对于零件设计以及应用上来说，就显得尤为重要。下面本文将从塑性变形与断裂发生的机理上进行探究。

2 塑性变形

金属件在受载情况下，会先进入弹性变形阶段，此时变形是可逆的，卸载之后，零件恢复原状。弹性变形在金属中以弹性波的形式传播，速度非常快，应力到达的瞬间弹性变形同时到达，所以我们认为弹性变形在金属中的分布是均匀的。

如果继续加载，零件承受的力超过一定值后，变形不能完全恢复，产生永久变形，此情况称之为塑性变形，而塑性变形往往出现在承载能力较为薄弱的地方，其分布一般是不均匀的。塑性变形在某些场景是零件失效的一种，会影响到零件的使用。屈服极限是衡量材料抗屈服能力的一个重要参数，在静载情况下我们认为，只要材料的应力不超过屈服极限，零件是不会产生塑性变形的。但是要注意的是，零件在交变应力作用下，即使应力低于屈服极限值，材料也可能会产生塑性变形。所以，在零件设计时，不仅要考虑零件的受力情况，也要考虑零件的工作状态，考虑交变应力作用下，零件所能承受的载荷。

一般认为塑性变形过程是晶体的滑移或错位所致，导致晶体滑移或位错形成的是切应力，即在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变，使得大量原子从一个位置移动到另一个位置，从而产生塑性变形。

3 断裂

在金属材料中，一般都存在有各种各样的缺陷，如疏松、缩孔、偏析、夹杂物、杂质等。当外载荷施加到一定值时，在夹杂物、杂质等缺陷存在的晶界处，会引起缺陷本身的开裂，形成微观孔洞，这些微孔随着外载荷的增加而长大，聚集，最后形成裂纹，当裂纹扩展到一定程度后，导致零件破坏。同样，对于空洞的产生，切应力的作用也要更加明显一些。断裂分为塑性断裂和脆性断裂。

3.1 塑性断裂

塑性断裂一般对于有变形强化的金属才会出现，断裂前会发生较为显著的塑性变形，断裂方式以穿晶形式为主，即裂纹穿过晶粒内部扩展。塑性断裂可认为是微孔形成、扩大及连接的过程，在一定的应力作用下，金属产生一定的塑性变形，此时在异相颗粒处产生应力集中，使得此部分的金属被拉开形成微孔，当微孔扩大到一定程度，相邻微孔间的金属产生较大塑性变形后就发生微观失稳，而后微孔扩大，逐渐将金属分割开来，直至断裂。

3.2 脆性断裂

脆性断裂是指材料没有经过明显的变形而发生的断裂，此时几乎没有塑性变形的产生，但有时部分区域也会有一定的微小塑性变形。此种断裂方式发生时，其承受的应力一般不会超过材料的屈服强度，甚至远远小于屈服强度。对于脆性材料，屈服强度已经不能成为衡量其受载能力的一种参数了。脆性断裂在机理上的主要表现形式有沿晶断裂、脆性穿晶断裂。

3.2.1 沿晶断裂

沿静断裂发生时，其裂纹首先在晶界上形成，而后继续沿着晶界扩展，直至把金属分开。此时晶粒的形状都没有发生变化，故金属在沿晶断裂时不发生任何塑性变形。其主要出现的情况有：（1）组织中出现了沿晶界分部的脆性第二相，割裂基体相晶粒之间的相互联络。（2）晶界上聚集了较多的杂质，降低了晶界强度。（3）热处理时或其他情况导致过热或过烧，致使晶界氧化，弱化了晶界。（4）零件工作温度超过了等强温度。

3.2.2 脆性穿晶断裂

一般塑性断裂的方式是以穿晶为主的，但对于没有塑性强化能力的金属，则其断裂则容易发生脆性穿晶断裂。同样，这种断裂方式在断裂前材料基本上不发生塑性变形，裂纹一旦形成便快速扩展，裂纹沿着某一晶面从晶粒内部穿过，引起突然断裂。此种裂纹形成的位置大多为：（1）应力集中处。（2）性能差别较大的相界处。（3）细微裂纹处。（4）有较脆的第二相尖端部位。

4 总结

无论是塑性变形还是断裂在金属零件的使用过程中都是我们不期望遇到的，特别是脆性断裂，往往发生的比较突然，没有明显的征兆，容易造成比较严重的后果。所以研究金属零件的失效形式是一个很重要的方向，对工业生产中零件的结构设计与材料的选用有着较大的指导意义。

参考文献：

[1]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理[M].北京：機械工业出版社，1999.8.