时间相关断裂及其类型

脆性材料的断裂是一个瞬间发生的现象，看起来像是在断面处同时发生分离，而实际情况是在缺陷处首先形成裂纹，断面是由于裂纹的扩展而形成的。不过一旦裂纹形成并扩展，破坏发生的速度就会非常快，断裂在瞬间即可完成。延性材料的塑性失稳也是随着载荷的增加，在非常短的时间内发生的。上述断裂现象称为非时间相关断裂，或静态断裂。当载荷保持恒定或循环作用时，材料在经过一定时间后才发生的断裂称为时间相关断裂（见图1-6）。有以下几种类型的时间相关断裂：

●疲劳断裂；

●应力腐蚀断裂；

●蠕变断裂。

图1-6　静态断裂与时间相关断裂

图1-7所示为典型的疲劳断裂过程。疲劳断裂是在规则或不规则的循环载荷作用下产生的。对于金属材料，当应力低于屈服强度时，材料整体不会发生塑性变形，但在组织结构中强度较弱的晶粒处或金属表面会产生局部滑移。

图1-7　疲劳断裂过程

Ⅰ—裂纹形成区；Ⅱ—裂纹扩展区；Ⅲ—最终断裂区

静载下的滑移呈阶梯状，而在循环应力作用下的滑移呈凹凸状。滑移本质上是不可逆的，材料表面氧化加上循环应力的作用，使得滑移不可逆成分逐渐积累，导致材料表面形状发生变化。凹凸状表面缺陷一旦形成，其中就会由于应力集中而产生较大的应力，进而在循环应力作用下，凹的部分会伴随滑移向材料更深的部位发展，从而形成疲劳裂纹。疲劳裂纹形成后，裂纹尖端伴随塑性变形，裂纹尺寸不断增大，最后导致断裂。如果金属表面本身就存在缺口等应力集中部位，则疲劳裂纹将在应力集中部位形成。此后疲劳裂纹的长大过程与上述情况相类似。

疲劳破坏的本质是塑性变形，这种变形是局部的和不可逆的，但从宏观上看，发生疲劳破坏时材料几乎未发生变形就已断裂。

应力腐蚀断裂是另一种时间相关断裂现象。腐蚀是在活性环境中，材料表面形成局部电池，金属表面作为阳极被溶解的现象。在载荷一定时，阳极发生局部溶解，从而形成裂纹，之后裂纹尖端进一步氧化（溶解），造成裂纹扩展直至断裂，即发生应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂在特定的材料与环境的组合下发生，对于金属材料，腐蚀裂纹大多沿晶界发生和扩展。(www.xing528.com)

时间相关断裂的例子还有蠕变断裂。当温度较高（不小于0.6Tg，Tg为材料熔点）时，材料原子热活性增大，材料内部形成大量原子孔洞。在载荷一定时，原子孔洞向晶界扩散，由此而产生的变形称为蠕变变形。孔洞的扩散同时也导致裂纹的形成，进而引起蠕变断裂。蠕变断裂通常是沿晶界发生的。

在时间相关断裂的条件下，载荷越大，材料寿命越短。如对于疲劳破坏，应力与寿命的关系曲线如图1-8所示。图中：纵坐标Δσ是一个载荷循环中应力的最大值与最小值之差，称为应力幅值；横坐标N是材料发生断裂时的应力循环周次。Δσ-N关系曲线也称为S-N曲线。材料寿命为无穷大时所对应的加载应力σ0称为疲劳极限。当应力幅值小于σ0时，材料不会发生疲劳破坏。

图1-8　S-N曲线

例1-1　直径D=100mm，壁厚t=10mm的压力容器，受到波动内压p（最小为0，最大为40 MPa，每小时波动一次）作用。容器材料的S-N曲线如图1-9所示。试求：

（1）容器壁的周向应力；

（2）容器的寿命（年限）。

图1-9　压力容器材料的S-N曲线

解　（1）将该容器视为薄壁容器，根据材料力学，可得周向应力幅值为

（2）由S-N曲线，周向应力为200 MPa时容器的寿命为