从材料强度观点论机器零件的失效分析及失效的防止

本文从材料强度学的观点出发,分析了机器零件的失效类型,概述了造成这些失效的基本原因。从而建立主要的失效抗力指标,研究这种失效抗力指标随材料成分、组织、状态的变异规律,运用金属学和材料强度学的理论成果,提出增强失效抗力的措施,打破现有选材、用材的传统观念束缚,做到充分发挥材料强度潜力,提高机械产品质量。本文从零件服役条件和材料因素两大方面分析了造成机器零件失效的原因,并着重指出了一些常为人们所忽视而又是重要的失效原因,如载荷条件中载荷谱、附加应力的影响,零件结构中薄弱环节的问题,环境因素的影响等等;材料因素中着重分析了表面与界面对裂纹萌生与扩展的影响。文中列举了生产实践中解决零件失效的典型事例,对于提高失效抗力与设计、材料、工艺变革的关系,也提出了一些看法。

以Ba云母为主晶相的可切削玻璃陶瓷

基于Ｂａ０．５Ｍｇ３（Ｓｉ３ＡｌＯ１０）Ｆ２－Ｍｇ２Ａ１４Ｓｉ５Ｏ１８－Ｃａ３（ＰＯ４）２系统，制备出了以含Ｂａ碱士云母为主晶相的可切削玻璃陶瓷，弯曲强度σｂ＝２２９ＭＰａ，断裂韧性Ｋｌｃ＝２．４８ＭＰ·ｍ１／２；钻孔速度大于７ｍｍ／ｍｉｎ．优良性能的获得借助于Ｂａ云母玻璃陶瓷可控的显微组织，即相互交错的云母体和“卷心菜”的组织特征．观察到了两类类型的断口形貌：云母晶体层内断的层状花样和沿（００１）晶面层间断的小刻面花样．

低熔点可加工微晶玻璃的研究

采用同类型组分替代法，用适量Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ等代替可加工微晶玻璃中部分对应组分，使可加工微晶玻璃的熔融温度得到较大幅度下降（１３００℃以下），并研究和使用了简化的晶化工艺，在６００～６５０℃进行晶化，使材料获得了优良的加工性能和较高的强度（可达１５２ＭＰａ）．

残余压应力场中裂纹扩展的闭合模型

分析了残余压应力对裂纹闭合的影响机理，在此基础上建立残余应力场中裂纹扩展闭合力的预测模型，讨论了裂纹闭合的尺寸效应，将模型延伸至短裂纹和表面裂纹的范围．

银纹萌生机制及判据

在弹塑性有限元计算和断口分析基础上，提出了银纹萌生判据：ε１１≥εｃ，σｍ／σ≥ｔｃ。该判据与银纹形成的分子过程相结合，具有明确的物理意义并与本文实验结果相吻合。

金属材料屈服强度的应变率效应和热激活理论

对４种金属材料进行了应变率为１０^（－４）—１０~３ｓ^（－１）的拉伸试验，结果表明，屈服强度随应变率的升高分两阶段线性升高．提出了位错线热振动对加载频率响应的热激活作用机理，依据该机理计算所得Ⅰ、Ⅱ区临界应变、与实测值相符、并在此基础上将应变率对屈服强度影响的机制图重新划分为：Ⅰ区、富热激活区；Ⅱ区，贫热激活区．

金属材料拉伸的高应变率增塑现象及分析

用动态拉伸法研究了三种金属材料塑性随应变率的变化而变化的情况，应变率范围为１０－４～１０３ｓ－１．研究发现，随着应变率的升高，三种金属的塑性都有不同程度的提高，其中３０ＣｒＭｎｓｉＮｉ２Ａ淬火态在０．５ｍｍ·ｍｉｎ－１加载速率时延伸率仅为７％，而在４０ｍｓ－１时为１４．５％，提高了一倍多，表现出典型的高应变率增塑现象。微观实验及分析表明，高应变率增塑现象的机理和高应变率导致的温度升高，变形孪晶和形变诱发相变被抑制有关．

可磨耗封严涂层的冲蚀磨损特性及模型

抗冲蚀性是可磨耗封严涂层最重要的性能。在自制的真空自由落砂试样旋转式冲蚀磨损试验机上对几种中温封严涂层的冲蚀磨损特性及机理进行了研究。实验结果表明，冲蚀失重与冲蚀时间具有良好的线性关系；在６０°时冲蚀率最大；冲蚀率与冲蚀速度有幂函数关系，速度指数随冲蚀角度增大而增大；９０°冲蚀时，涂层的冲蚀机理为冲击粒子在涂层表面冲击挤压，产生凹坑和凹坑边缘凸起的唇片，随后的冲蚀使唇片流失；粒子的不断冲击使表层金属相松动，导致呈颗粒状剥落。３０°冲蚀时涂层的冲蚀机理为切削、犁削并有孔洞、非金属相贯通效应。在此基础上提出了封严涂层的冲蚀磨损模型。

应变率对钨合金抗拉强度及断口形貌的影响

对四种热加工工艺的钨合金进行了１０－４～１０３ｓ－１的动态拉伸实验。随着应变率（ε）逐渐增大，高强度材料速率敏感性低，低强度材料速率敏感性高。

Ⅰ+Ⅱ复合型弹塑性断裂的COD分析

以Rice的裂纹尖端钝化模型为基础定义了复合载荷下裂纹尖端的位移COD、CTOD和CTSD，CTOD和CTSD是复合型裂尖位移COD的Ⅰ和Ⅱ型分量．对铝合金Ly12复合Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂行为进行了COD分析，并对复合载荷下COD与J积分的关系进行了讨论．结果表明：（1）随Ⅱ型分量的增加，Ly12启裂的CODi值增加，纯Ⅱ型的启裂CODi值是纯Ⅰ型的6倍；（2）Ly12复合载荷下的COD与复合J积分值JM满足下列关系：JM=dσ0COD，d为系数，随复合比而变，可由实验和计算确定．

常压烧结 Si_3N_4 陶瓷的阻力(R-曲线)特性

文章利用压痕微裂纹法测试了３种Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷的Ｒ曲线．结果发现：添加Ｙ２Ｏ３和Ａｌ２Ｏ３的Ｓｉ３Ｎ４材料（１号）具有明显上升的Ｒ曲线；添加ＺｒＯ２的材料（２号）次之；添加ＡｌＮ的材料（３号）的Ｒ曲线变化幅度最小．并结合断口形貌分析发现，材料的Ｒ曲线行为与其微观结构密切相关．

一种可切削玻璃陶瓷的压痕断裂特性

将断裂韧性测试的压痕方法与压痕弯曲方法相结合，独立地分离出了压痕残余应力因子ｘ，使其成为可测参量，并建立了压痕一压痕弯曲的断裂韧性测试方法．将这种方法应用于一种可切削玻璃陶瓷的测试，获得的Ｋ１ｃ值为Ｋ１ｃ＝２．０３ＭＰａ·ｍ１／２，与单边切口法（ＳＥＮＢ）获得的Ｋ１ｃ值有较好的一致性．测得的残余应力因子Ｘ＝０．０９３，符合Ａｎｓｔｉｓ经验公式的预测．

加载速率及温度对碳素钢脆性转化的影响

本文研究一种经正火处理的碳素钢在不同加载速率以及不同试验温度下的动态断裂韧性。发现材料存在一个由加载速率决定的韧脆转化。用热激活概念分析断裂过程:J_(Id)=J_a+J_t,J_a是非热激活部分,与温度和速度无关;而热激活部分J_t=(K/K_0)~nexp(Q_f/(nkT)),控制着断裂过程的温度和速度敏感性。加载速率引起的脆性转化和改变温度引起的脆性转化有相同机制,它们与原子的热运动过程有关。脆性转化的本质是J_t在降低温度以及增加形变速率的过程中不断减小,导致材料由韧向脆转变。

等离子喷涂层和钢的制动磨损特性

在ＭＭ—１０００制动摩擦磨损试验机上，试验了两种不同组成的Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ－ＷＣ复合涂层并与传统的钢制件作比较。试验结果表明，涂层比钢的耐磨性有较大的提高，ＷＣ质量分数高的涂层耐磨性更好。制动时涂层的磨损以磨粒磨损为主，有轻微的氧化和粘着。钢的氧化磨损和粘着比涂层严重。因摩擦热的影响，制动后钢的摩擦表面出现热震开裂和特有的浅层剥落，浅层剥落是一个塑性变形积累、裂纹形成和扩展的过程。但涂层无热震开裂和浅层剥落现象。

平面应力裂纹尖端复合型弹塑性变形场和约束场的有限元分析

应用有限元方法分析了不同Ⅰ＋Ⅱ复合型下裂纹尖端的变形场和约束场（应力三轴性水平Ｒσ分布），结果表明，平面应力条件下复合型裂端变形是不对称的相反塑性变形，符合钝化—锐化模型。Ⅰ＋Ⅱ复合加载时裂端出现负约束的区域（该区Ｒσ＜０），随Ⅱ型分量增加，负约束区域增大，且最大正约束水平Ｒσｍａｘ降低。实际裂端的约束水平及其分布满足ＨＲＲ场所要求的独立于外载荷水平和距裂端距离的性质。平面应力条件下裂端的约束水平远低于相应条件下平面应变时裂端的约束水平。本文亦讨论了复合变形损伤的力学行为。

界面压入法测定涂层结合强度的实验研究与理论分析

采用具有新颖性的涂层压入仪，在涂层与基体之间的界面压入，可测得压入过程中载荷与压入深度的关系曲线和界面开裂的临界载荷Ｐｗ，此值可反映涂层结合强度。界面压入法适合于评价高结合强度的涂层。根据能量守恒和转化原理，并结合Ｇｒｉｆｉｔｈ处理裂纹问题的思路，可得到结合应力表达式。在具体处理上采用数值计算与实验相结合的方法来近似处理，由此可得到结合应力值。

一种可切削玻璃陶瓷压痕裂纹在残余应力驱动下的非平衡扩展特性

本文将Ｇｕｐｔａ等人提出的用压痕实验来测定脆性材料应力腐蚀指数ｎ的方法［１］进行了改进，使其可以直接测定压痕径向裂纹在压痕塑性区残余应力驱动下非平衡扩展的Ｖ－Ｋ１关系曲线，并用这一方法对一种可切削玻璃陶瓷及其原始玻璃，分别在水及空气介质中的应力腐蚀指数ｎ及Ｖ－Ｋ１曲线进行了测定，结果表明，水显著提高裂纹扩展速率，使Ｖ－Ｋ１曲线左移，ｎ值下降，而结晶化则起相反作用．

具有阻力特性材料的σ_f－σ关系及一种新的阻力曲线测定方法

通过对相变增韧增瓷及一种可切削玻璃－陶瓷动态疲劳（恒应力速率）试验中高应力速率区裂应力下降现象的理论分析，发现这种现象与材料的阻力特性（Ｒ－ｃｕｒｖｅ）密切相关，确立的σｆ－σ理论关系能够很好地描述整个应力速率区间内的动态疲劳试验结果，高应力速率区σｆ－σ在双对数坐标下为负斜率直线，直线斜率－ｍ／１－ｍ（ｍ的阻力曲线ＫＲ＝ｋ（△ａ）＾ｍ的指数）断裂主要由材料阻力行为控制，低应力速率区。

冲击和非冲击疲劳载荷下过载对裂纹扩展的影响

对12CrNi3A 钢在冲击和非冲击疲劳栽荷下的过载裂纹扩展延迟效应研究表明:过载对随后裂纹扩展的影响不仅取决于过载力作用下的裂尖塑变,还取决于随后基载力作用下的裂尖塑变.过载对随后裂纹扩展的影响存在两个互为矛盾的方面:一是裂尖塑变损伤促进裂纹扩展;另一是产生残余压应力场和闭合效应延缓裂纹扩展,两方面共同作用结果才能最终决定对随后裂纹扩展的影响.实验结果还表明,冲击疲劳载荷下的过载延迟效应与过载力的冲击速度有关,相同条件下,冲击疲劳载荷下的延迟期 Nd 高于非冲击疲劳载荷;各种因素对过载延迟的影响程度在两种载荷制度下不相同.

恒应力速率下陶瓷材料的亚临界裂纹扩展模型

从断裂力学出发，利用阻力曲线（Ｒ曲线），建立了恒应力速率条件下陶瓷材料亚临界裂纹扩展模型．利用计算机数值计算，获得材料在动态载荷条件下，裂纹扩展速率Ｖ与应力强度因子Ｋ的关系（Ｖ－Ｋ曲线），并分析了动态疲劳现象的本质．此模型的中心思想在于将亚临界裂纹扩展分为相互独立的２个过程，即：裂纹瞬时局域失稳扩展和应力腐蚀．利用此模型，对Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的动态疲劳特性作出的理论预测与实验结果趋势一致．