金属材料力学性能试验条件下的应力分布与断裂过程优化

断裂问题是失效分析中最值得关注的问题，探讨金属材料零部件的断裂失效是本教材的重点内容。首先说明断裂模式的概念。所谓断裂模式，是指零部件在何种载荷下发生断裂，也称为宏观断裂机制。

确定断裂模式无疑就是要断定零部件受力状态下的应力分布情况。本节主要对各类典型力学实验条件下，试样应力分布情况及发生断裂的过程进行探讨。为什么要进行这种探讨？原因主要有以下有几点：

原因一：外载荷作用在零部件上所引起的应力，均可分解成垂直截面的正应力S 及与截面平行的切应力t。受力方式不同，零部件的S 与t 是不相同的。例如单向拉伸时与试样轴线成45°的截面上切应力最大，在与垂直试样轴线的截面上正应力最大。切应力引起材料塑性变形与切断，正应力引起材料正断而不会引起材料塑性变形[1]。

金属材料有三个重要的性能指标，正断抗力SOT、切断抗力tk 及屈服强度tT 因此有以下判据：

因此，在失效分析时尽可能判断出零部件内部最大正应力与最大切应力所处的位置，以便根据上述判据确定哪些区域容易发生失效，以及发生失效的部位是否是最大应力部位。获得这些信息就是为了明确断裂模式，这对正确分析零部件失效的原因能起到极为重要的作用。

材料发生韧断或脆断，一方面与所受到的外力类型有关，同时与材料内部SOT、tT、tk 有密切关系。对材料本身的性质而言，SOT/tT 的比值越高，材料越容易塑性变形，呈韧性断裂。这是决定材料韧性断裂还是脆性断裂的内部原因。

原因二：金属材料零部件一般均是在外力作用下发生断裂，而了解断裂过程与断裂机制是失效分析的关键问题之一。实践表明，实际零部件的断裂模式一般来说是比较复杂的，但是又往往可以近似归纳成某种典型的力学性能试验条件下的断裂问题，或者是几种简单力学性能试验的复合断裂问题。所以应牢固掌握各类典型力学试验中材料应力分布特征及从变形到断裂的基本规律，它们也属于进行失效分析的基础知识。

原因三：断口分析是断裂失效分析的关键技术，为了对断口进行正确的分析，清楚了解各种载荷下的应力分布特征及断裂过程是非常重要的。应力分布特征决定断口位向与形貌，反之通过断口位向与形貌特征又可以分析零部件受力状态。

原因四：确定断裂模式也是设计失效分析试验方案的基础。对此问题举例说明如下：(www.xing528.com)

【例2-1】　一件直径为20 mm、长度为350 mm 的轴类零件在使用过程中发生断裂，已知材料是40Cr，采用的加工工艺是：

下料→粗加工→淬火＋500 °C 回火→精加工→使用

根据失效分析的常规试验程序可知，为了判断零部件失效的原因，一般需要对实物进行力学性能测定。问题是常规力学性能试验有拉、压、扭、疲劳、磨损、冲击、硬度测定等多种，是全部进行还是仅选用其中某些试验即可？这就取决于断裂模式的正确判断。

如果根据实际服役条件判断出，该零件在服役条件下仅受到拉伸载荷，力学性能试验就应该选择拉伸试验测定出其拉伸性能指标，再与设计时的应力进行对比分析。

如果根据实际服役条件判断出，该零件在服役条件下受到交变载荷，力学性能试验就应该选择疲劳试验测定出其疲劳性能指标，再与设计时的应力进行对比分析。

如果根据实际服役条件判断出，该零件在服役条件下受到多种载荷（如拉、扭同时存在）的作用，力学性能试验就应该尽量模拟实际服役条件设计力学性能试验，测定出要求的性能指标，再与设计时的应力进行对比分析。

如果能够进行定量分析，则可以判断出轴在服役条件下最大应力区域，指导我们重点分析该区域的微观组织是否正确。