材料失效类型与机理

2022-05-05

结构力学的一个最重要的任务之一，就是防止设计的结构“失效”。

失效的形式有很多，最常见有四类：

静态失效

静态失效是指，材料随的载荷超过了“极限强度”。

极限强度本质是一个“应力值”，因此，微观地讲，当材料中某一点处的主应力值大于极限强度时，该点处的材料就已经开始静态失效了。

为什么会有极限强度这种东西？我们学过材料力学的同学了解，材料作拉伸测试可以得到应力应变曲线——

对于脆性材料（红线），应力达到极限强度时，直接断裂，比如玻璃就是典型的脆性材料。

（一般来说，脆性材料都不太抗拉，也就是说极限强度一般不大）

对于塑性材料（蓝线），达到图中所示的屈服极限后，发生较大的形变，但是不断裂，直至达到极限强度才断裂。

关于应力应变曲线，有非常有趣和易于记忆的解读——

理解材料力学：应力应变曲线——自我提升之四大阶段

思考一个有趣的问题：

结构中有一点达到了极强强度，是不是结构就一定会失效呢？

也不完全对。许多情况下，某些点发生了断裂，常常是由于装配精度过低，导致该部分“受到了超过它本来所要承担的任务量”，以至于断裂，但其它结构也会顺势补充上来，承担更多的受力。比如钢索桥梁，一根钢索的断裂往往是因为调试失误，将该钢索过分预紧了，而它的断裂并不会导致桥梁倒塌，而是由其它钢索补位。

是不是结构不超过极限强度就OK了呢？不仅不是，而且这种想法往往会很危险！

因为结构失效最主要的形式，其它是——“疲劳”！

不仅人容易疲劳，材料也会！

疲劳失效中，很有可能受到的应力都“远小于极限强度”！但是，这个应力可不一般，它是“循环应力”，凡事一上周期性与频率扯上关系就不简单！

循环载荷

材料疲劳三阶段：

后面两阶段一般划到“断裂力学”中研究，我们常说的“疲劳”常常仅指第一阶段——小裂纹到大裂纹。

另外，外加载荷可不能保证都是像上面那样规律，还可能是随机性的，这又增加了分析难度。

先别管如何计算，从试验的结果上来看，