本科课程辅导

材料和部件的失效课程侧重于结构材料在一系列工程应用中的性能。失效和失效模式，即产品或材料特性或功能的丧失，会产生一系列影响，为了解决这些问题，必须确定失效和失效模式。本文将分析什么是失效模式，以及材料可能出现的失效类型。

一、失效模式或材料失效是什么意思?

失效是指物体或材料(无论是金属、混凝土还是塑料等)因各种因素影响结构的强度、稳定性和化学成分而发生的破坏。导致失效的原因可能是多方面的，如腐蚀、疲劳或磨损等。因此，在设计组件或结构时，工程师往往需要将失效的可能性降至最低，因为当产品组件发生失效时，无论是断裂还是形状改变，都将无法再发挥其预期功能。

失效的典型原因是材料选择和加工不当，以及组件设计不当或使用不当。在这种情况下，我们必须了解导致故障的原因，以便纠正故障并防止其再次发生。为此，最好的方法就是失效模式和影响分析。

二、失效模式的类型

在材料科学中，疲劳是最常见的失效模式，也是通常会导致其他类型失效的失效模式。一旦出现裂纹，每次加载循环都会使裂纹增大一点，即使反复交替或循环应力的强度大大低于正常强度。然而疲劳有许多特定类型。了解每种疲劳的特性有助于工程师通过失效模式和效应分析，确定哪些疲劳危害可能会影响特定材料或产品。最常见的疲劳失效类型如下：

1.高循环疲劳 (HCF)

高循环疲劳是指材料在相对较低的应力水平下承受大量的循环。在这种情况下，失效通常是由于应力集中处(如缺口或表面缺陷)的微观裂纹累积而产生的。然后，这些裂纹在循环加载的影响下逐渐扩展，直至达到临界尺寸，此时突然断裂。HCF 的主要特征包括

a.起始和扩展： 裂纹从应力集中点开始，并在每个加载周期中逐渐扩展。

b/表面光洁度和缺口： 表面光洁度和缺口等几何特征会对裂纹的产生产生重大影响。表面更光滑、设计更合理的部件往往具有更长的疲劳寿命。

c.受影响的材料： HCF 常见于具有良好延展性的材料，如钢和铝合金，在航空航天部件和汽车零件等应用中经常出现。

2.低循环疲劳(LCF)

与 HCF 相比，低循环疲劳的应力水平更高，循环次数更少。它通常与塑性变形有关，塑性变形会导致材料发生周期性硬化和软化。低频疲劳在涉及大循环应变或高负载的应用中表现突出。LCF 的主要特征包括

a.塑性变形： 循环塑性导致材料特性在加载循环过程中发生变化。这可能会导致局部变形、应变集中，并最终引发裂纹。

b.应变控制加载： 低疲劳通常是应变控制的，这意味着施加的变形是驱动疲劳过程的主要因素。

c.应用： LCF 主要用于承受可变载荷的部件，如发电厂和工业机械中的部件。

3.热疲劳

当材料暴露在周期性的温度变化中时，就会产生热疲劳。这会导致部件内部产生不同的膨胀和收缩，从而产生循环应力和应变。热疲劳与温度波动频繁的应用尤其相关，例如内燃机的排气系统或喷气发动机的涡轮叶片。热疲劳的关键因素包括

a.热膨胀系数： 热膨胀系数不同的材料更容易产生热疲劳，因为它们的膨胀和收缩率各不相同。

b.温度梯度： 部件上较大的温度梯度会导致应力分布不均匀，从而加剧热疲劳。

c.蠕变相互作用： 在高温条件下，蠕变变形会与循环热应力相互作用，影响裂纹的产生和扩展。

4.腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是循环加载和腐蚀环境的结合。腐蚀会削弱材料表面的强度，使其在循环应力作用下更容易出现裂纹并扩展。这种疲劳常见于暴露在干湿交替条件下的结构，如桥梁或海上平台。腐蚀疲劳的关键因素包括

a.腐蚀速率： 材料的腐蚀速度在决定裂纹增长速度方面起着至关重要的作用。更快的腐蚀速度会导致更快的疲劳失效。

b.腐蚀类型： 点腐蚀、应力腐蚀开裂和氢脆是导致腐蚀疲劳的常见机制。

c.材料敏感性： 某些材料由于易受某些腐蚀机制的影响，因此对腐蚀疲劳更为敏感。

疲劳失效包含一系列可导致材料在循环加载下降解和断裂的机理。这些机制包括高循环疲劳、低循环疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。每种类型的疲劳都具有不同的特征、影响其发生的因素以及对材料设计和部件性能的影响。工程师和材料科学家必须仔细考虑这些因素，以增强抗疲劳性，确保材料和结构在各种应用中的可靠性。

海马课堂专业课程辅导，3500+严选硕博学霸师资，针对学生的薄弱科目和学校教学进度，匹配背景相符的导师，根据学生情况进行1V1专属备课，上课时间灵活安排，中英双语详细讲解课程中的考点、 难点问题，并提供多方位的课后辅导，辅助学生掌握全部课程知识，补足短板。如果你对此还有疑问,或者有更多关于学业辅导方面需求的话,可以添加微信号：hmkt131联系海马课堂的Joye老师哦。