失效是指材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在外部作用下（如應(yīng)力、溫度、化學(xué)腐蝕等）無(wú)法繼續(xù)履行其設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象。在工程和材料科學(xué)中，失效通常意味著材料的破壞、性能嚴(yán)重下降或結(jié)構(gòu)功能的喪失。失效可能導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、裂紋、斷裂。

常見失效形式

失效不一定意味著物理上的斷裂或損壞，而是指系統(tǒng)在某種程度上不再滿足設(shè)計(jì)要求。失效可以包括變形、性能下降、超出允許的疲勞極限等現(xiàn)象。本文介紹常見的失效形式：屈服失效、斷裂失效、疲勞失效。

01

屈服失效

• 定義

屈服失效發(fā)生在材料承受的荷載超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，材料進(jìn)入塑性階段，發(fā)生顯著的變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法恢復(fù)原狀。

• 機(jī)理

屈服失效的機(jī)理是材料的屈服強(qiáng)度被超過，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的滑移、晶格的滑動(dòng)等現(xiàn)象，進(jìn)而引起宏觀的塑性變形。

鋼材和鋁材等金屬材料的屈服失效比較常見，而混凝土通常不會(huì)發(fā)生顯著的屈服，而是破裂。

• 強(qiáng)度理論

判斷復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下（多向受力）材料是否開始屈服的理論準(zhǔn)則。

【1】畸變能密度理論

畸變能密度理論也稱馮·米塞斯應(yīng)力準(zhǔn)則(Von Mises Stress Criterion），當(dāng)構(gòu)件中某點(diǎn)的畸變能密度（形狀改變比能）達(dá)到材料單向拉伸屈服時(shí)的畸變能密度值時(shí)，該點(diǎn)開始屈服。

此理論更符合大多數(shù)韌性材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用廣。

Von Mises準(zhǔn)則基于形變能理論，它假設(shè)材料的屈服不是由總應(yīng)力的大小決定，而是由材料內(nèi)的剪切變形能積累到某一臨界值（單向拉伸時(shí)的極限值）時(shí)發(fā)生。形變能可以看作是材料在變形過程中所儲(chǔ)存的能量。

三維應(yīng)力狀態(tài)：

σv：等效應(yīng)力

σ1、σ2、σ3：是材料在某點(diǎn)處的主應(yīng)力

【2】最大剪應(yīng)力理論

Tresca Stress Criterion也稱為最大剪切應(yīng)力準(zhǔn)則，是一種經(jīng)典的屈服準(zhǔn)則，用于預(yù)測(cè)材料在受力時(shí)何時(shí)會(huì)發(fā)生屈服。它主要用于分析延性金屬材料的塑性行為，特別是在剪應(yīng)力主導(dǎo)的應(yīng)力狀態(tài)下。

σ1和σ3：是材料在某點(diǎn)處的最大和最小主應(yīng)力。

Tresca準(zhǔn)則基于最大剪切應(yīng)力理論，認(rèn)為材料的屈服發(fā)生在最大剪應(yīng)力達(dá)到材料的屈服剪應(yīng)力（也稱為極限剪應(yīng)力）時(shí)。具體來(lái)說(shuō)，該準(zhǔn)則假設(shè)材料的屈服是由于材料內(nèi)部的剪切滑移引起的。因此，無(wú)論在什么應(yīng)力條件下，當(dāng)材料中某處的剪應(yīng)力超過材料的剪切屈服強(qiáng)度（單向拉伸時(shí)的極限值）時(shí)，材料便會(huì)開始屈服。

02

斷裂失效

• 定義

當(dāng)材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展，當(dāng)材料的極限強(qiáng)度被超過時(shí)，最終導(dǎo)致材料的分離或斷裂。

• 類型

斷裂失效可以分為脆性斷裂和韌性斷裂。

脆性斷裂：斷裂時(shí)幾乎無(wú)塑性變形，脆性材料無(wú)顯著塑性變形即突然斷裂，斷口平齊；如鑄鐵、陶瓷斷裂。

韌性斷裂：斷裂前有較大的塑性變形，韌性材料經(jīng)歷頸縮后斷裂，斷口呈杯錐狀；如鋁合金失效。

• 強(qiáng)度理論

工程上常用的斷裂準(zhǔn)則主要有最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變準(zhǔn)則，即第一和第二強(qiáng)度準(zhǔn)則。

【1】最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

當(dāng)材料的最大主應(yīng)力達(dá)到或超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料將發(fā)生斷裂。這一準(zhǔn)則假設(shè)材料的破壞是由拉伸應(yīng)力引起的。該準(zhǔn)則認(rèn)為，無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的原因是斷裂點(diǎn)的最大拉應(yīng)力達(dá)到了在單向拉伸的極限值。

σmax：最大主應(yīng)力

σb：材料的抗拉強(qiáng)度

適用于脆性材料，如陶瓷、玻璃、鑄鐵等，這類材料在拉伸應(yīng)力作用下容易斷裂。 該準(zhǔn)則沒有考慮另外兩個(gè)主應(yīng)力的影響，且不能應(yīng)用于無(wú)拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)。

【2】最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變準(zhǔn)則

當(dāng)材料的最大主應(yīng)變達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料發(fā)生斷裂。這一準(zhǔn)則特別關(guān)注材料在變形時(shí)的失效行為。該準(zhǔn)則認(rèn)為，無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的原因是斷裂點(diǎn)的 最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變達(dá)到了在單向拉伸時(shí)的極限值。

σ1：最大主應(yīng)力，

σ2：第二大主應(yīng)力

σ3：第三大主應(yīng)力

ν：材料的泊松比

σb：材料的抗拉強(qiáng)度

最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變準(zhǔn)則適用于一些對(duì)應(yīng)變敏感，應(yīng)變主導(dǎo)的條件下發(fā)生失效的材料，尤其是脆性材料，如花崗巖、混凝土等，又如酚醛樹脂、熱固性樹脂等脆性聚合物。

【3】 Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則

Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則（Johnson-Cook Fracture Criterion）是一種用于描述材料在大變形、高應(yīng)變速率和高溫條件下的損傷積累和斷裂行為的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

該準(zhǔn)則與Johnson-Cook本構(gòu)模型密切相關(guān)，通常用于描述金屬材料在動(dòng)態(tài)沖擊、爆炸和穿透等條件下的斷裂。

該準(zhǔn)則綜合考慮了應(yīng)力三軸度、應(yīng)變速率和溫度對(duì)失效應(yīng)變的影響。核心是一個(gè)基于塑性應(yīng)變和應(yīng)力三軸度的失效應(yīng)變公式。

03

疲勞失效

疲勞失效發(fā)生在材料長(zhǎng)時(shí)間承受反復(fù)的循環(huán)載荷時(shí)。即使應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，反復(fù)的應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致微小裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。疲勞失效通常出現(xiàn)在機(jī)械零件或橋梁等承受周期性載荷的結(jié)構(gòu)中。

【1】疲勞失效階段

疲勞失效的發(fā)生過程可以分為三個(gè)階段，經(jīng)過三階段后最終疲勞失效。

第一階段：裂紋萌生階段

在材料表面或內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域，微小的缺陷、孔洞、夾雜物或材料的異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。在反復(fù)加載的作用下，這些區(qū)域逐漸積累塑性變形，最終形成初始裂紋。

第二階段：裂紋擴(kuò)展階段

一旦裂紋形成，隨后的每一個(gè)載荷循環(huán)都會(huì)導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展的速率取決于材料的韌性、循環(huán)應(yīng)力幅值以及環(huán)境因素。疲勞裂紋擴(kuò)展的特征是每個(gè)循環(huán)引發(fā)的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度非常小，但累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致裂紋逐漸擴(kuò)展至危險(xiǎn)長(zhǎng)度。

第三階段：最終失效階段

當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)，剩余的未損傷截面無(wú)法承受外部載荷，導(dǎo)致材料的突然斷裂或失效。這種斷裂通常發(fā)生在一個(gè)加載周期內(nèi)，因此常被視為突發(fā)性的。

【2】疲勞失效類型

疲勞失效通常分為兩大類：應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。這兩種類型的疲勞失效主要根據(jù)其失效機(jī)制和條件來(lái)區(qū)分。

• 應(yīng)力疲勞（Stress Fatigue）

應(yīng)力疲勞也稱為高周疲勞，是指在較低的應(yīng)力水平下，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)加載后發(fā)生的疲勞失效。這種類型的疲勞通常發(fā)生在循環(huán)周次非常多的情況下，例如在數(shù)萬(wàn)次以上的加載周期。應(yīng)力疲勞的主要特點(diǎn)是應(yīng)力水平較低，但循環(huán)次數(shù)多，因此材料的疲勞壽命通常較長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)力疲勞通常用許用應(yīng)力值來(lái)控制。

• 應(yīng)變疲勞（Strain Fatigue）

應(yīng)變疲勞，也稱為低周疲勞，是在較高的應(yīng)力水平下，循環(huán)次數(shù)較少的情況下發(fā)生的疲勞失效。這種類型的疲勞發(fā)生在如壓力容器和汽輪機(jī)零件等高應(yīng)力區(qū)體積較大的部件中。應(yīng)變疲勞的特點(diǎn)是應(yīng)力水平較高，循環(huán)次數(shù)較少，導(dǎo)致材料的疲勞壽命相對(duì)較短。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變疲勞通常用許用應(yīng)變值來(lái)控制。

【3】應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞對(duì)比

應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞的主要區(qū)別在于應(yīng)力水平和循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力疲勞發(fā)生在較低的應(yīng)力水平下和較長(zhǎng)的周期，而應(yīng)變疲勞則發(fā)生在較高的應(yīng)力水平和較短的周期。理解這兩種疲勞失效機(jī)制對(duì)于正確設(shè)計(jì)和選擇材料，以及預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命至關(guān)重要。