了解延性失效：原因、检测和预防策略

延性失效是承受拉伸载荷的部件设计中的一个关键考虑因素。工程师通常设计零件，使预期最大应力保持在材料的弹性极限内（低于屈服点），以避免永久变形。然而，如果应力超过此限制，材料就会开始塑性变形，最终可能发生延性断裂。

在延性破坏中，零件在断裂之前会经历显着的塑性变形，通常表现为横截面积的局部减小（颈缩）。这种行为与脆性破坏形成对比，脆性破坏发生时很少或没有塑性变形，并且警告最少。 

本文将解释什么是延性破坏、它是如何发生和发展的、它是什么样子、它的常见原因以及在结构设计中预防它的策略。

什么是延性破坏？

延性破坏是指材料塑性变形超过其屈服极限后破裂的过程。这与脆性破坏相反，脆性破坏是材料在断裂前几乎不变形。与脆性破坏相比，以延性方式变形的材料具有独特的破坏模式。

在典型的应力-应变曲线中，一旦应力增加超过材料屈服点的极限，它就会开始塑性变形。在某些材料中，可能会观察到明显的上屈服点和下屈服点；较低的屈服点标志着均匀塑性变形的开始。从 A 到 B，材料经历应变硬化，尽管存在持续的塑性变形，但它仍能承受由于位错相互作用而增加的应力。 B 点的最大应力即为极限拉伸强度 (UTS)。超过 B 点后，横截面积会发生局部减小，这种现象称为颈缩，材料可承受的应力逐渐减小，直至在 C 点发生断裂。

应该指出的是，颈缩通常在均匀塑性变形后发生，并且在延性破坏的早期阶段不存在。失效前的伸长率越高意味着材料的延展性越好。然而，大多数金属在达到颈缩阶段之前都会发生一定程度的应变硬化。

高延展性材料通常缺乏明确的屈服点。对于这些材料，屈服强度通常使用 0.2% 偏移法确定，其中从 0.2% 的应变值开始绘制一条与曲线弹性区域平行的线，直到与曲线相交。该交叉点标志着屈服点。 

材料的延展性水平可以通过失效后断裂面横截面积的比例减少来确定。铝和金等材料在断裂前面积会大幅减少，因此被认为具有很高的延展性。

“延展性”是什么意思？

“ductile”一词源自拉丁语ductilis，意思是“可延展的”、“灵活的”或“能够被引导的”。在材料科学中，延展性是指材料在断裂前经历显着塑性变形的能力。这种特性允许材料被拉成线、形成复杂的形状或在负载下吸收能量而不会突然失效。

有关详细信息，请参阅我们的延展性指南。

延展性图示

发生延性破坏时会发生什么？

延性破坏是一个多步骤过程，为了清楚起见，将仅限于拉伸延性破坏。首先，零件必须承受拉力负载，使得产生的应力开始超过材料的弹性极限（或屈服点）。此时材料将开始塑性变形。此过程称为颈缩，是指零件横截面积的减小。最终，施加的应力变得比将材料固定在一起的原子之间的键更强。材料最薄弱的部分是内部缺陷，其中金属晶体未排列以获得最佳强度，例如预先存在的孔隙或空隙，或者夹杂物或污染物，例如炉渣或金属碳化物。接下来，这些空隙将合并，这意味着它们将生长并与附近的空隙结合形成更大的空隙。一旦空隙连接起来形成足够大的不连续性，裂纹就会开始从起始点向外传播，直到材料最终在宏观层面上分离并失效。

延展性失效是什么样的？

延性断裂的特征是，由于局部塑性变形，断裂面附近零件的横截面积显着减小。这种变窄（称为颈缩）会在失效区域产生独特的轮廓。在高延展性材料中，颈缩区域在断裂前通常逐渐变细至较尖锐的点，而在延展性较低的材料中，过渡则更为平缓。

延性失效的原因是什么？

在适当的条件下，任何材料都可能失效，当这些条件允许断裂前发生显着的塑性变形时，就会发生延性失效。下面列出了导致延性破坏的一些因素：

1。压力水平

零件通常经过设计，使其承受的应力远低于屈服强度，并且通常具有内置的安全系数。如果拉伸载荷中施加的应力超过屈服强度，材料就会开始塑性变形。这启动了延性破坏的第一阶段，变形持续到达到断裂强度并且零件断裂。 

2。加载类型

延性破坏最常在拉伸载荷下观察到，此时所施加的力会拉伸材料。加载速率（即施加载荷的速度）也会影响延性破坏行为。在某些情况下，较高的加载速率可能会增加材料的表观断裂韧性。尽管大多数部件的设计能够承受超过预期的载荷，但不可预见的或极端的拉应力仍然可能引发延性破坏。

3。预先存在的裂缝或缺陷

裂纹、空隙或其他缺陷会局部削弱材料，从而在这些区域产生应力集中。当施加的载荷足够时，这些高应力区域会首先屈服，从而引发裂纹扩展。大多数延性破坏都是通过这种机制发生的，首先是微观孔隙的形成和聚结，然后是裂纹扩展，最终导致断裂。

4。材料属性

防止延性破坏需要设计零件，使应力集中保持远低于材料的屈服强度。某些材料（例如中碳钢）具有明确定义的屈服点，可以在应力应变曲线上轻松识别。像铝这样的高延展性材料不会表现出明显的屈服点。相反，它们的屈服强度是使用 0.2% 偏移方法定义的，该方法识别与 0.2% 永久应变相对应的应力。对于此类材料，这个 0.2% 偏移屈服强度在设计计算中被有效地视为屈服应力。

5。温度和环境影响

温度对材料的拉伸行为有显着影响。升高的温度会降低材料的屈服强度，从而在低得多的载荷下发生延性破坏。相反，降低温度会导致韧性材料以脆性方式断裂。发生这种转变的温度称为韧脆转变温度 (DBTT)。在高温和持续负载下，材料还可能经历蠕变，这是一种随时间变化的变形，甚至在低于室温屈服强度时也可能发生。腐蚀等环境因素会进一步影响故障行为。某些腐蚀剂会导致脆化，导致通常具有延展性的材料以脆性模式失效。

如何预防延性破坏？

通过仔细的工程设计可以防止延性破坏。每个组件和系统的设计都必须确保其在使用环境中所承受的施加载荷不会超过该环境中材料的屈服点。为了消除故障，必须减少负载，必须增加横截面积，或者必须选择不同的材料。

由于应力定义为力除以横截面积，因此减少力或增加面积将降低应力并降低故障风险。选择屈服强度较高的材料可确保操作载荷保持在弹性范围内。

标准的工程实践是设计零件以承受高于最大预期载荷的安全系数。安全因素考虑了材料变化、环境条件和不可预见的负载情况等不确定因素。在许多行业中，可接受的安全系数是有规定的，不能由设计者随意选择。

如何修复因延性断裂而失效的零件？

当部件经历了足够的塑性变形而无法再执行其预期功能时，无论是否发生完全断裂，都被认为经历了延性破坏。通常只能通过移除变形部分并更换它或更换整个部件来修复。

这种类型的故障通常表明存在潜在的设计缺陷：要么使用载荷高于预期，要么选择了强度不足的材料。无论哪种情况，都应进行全面的故障分析，包括材料特性、负载历史回顾和潜在的环境影响。研究结果应为零件的重新设计或选择更合适的材料提供信息，以防止再次发生。

延展性材料示例有哪些？

工程应用中使用的绝大多数金属都是延展性的。下面列出了一些常见的延性材料示例：

• 铝： 高延展性，特别是在退火状态下；广泛应用于结构、汽车和航空航天应用。
• 低碳钢： 非常有延展性和韧性；常用于建筑和制造。
• 锌： 具有中等延展性，尤其是在高温下；常用于镀锌和压铸。
• 中碳钢： 延展性比低碳钢低，但仍能产生显着的塑性变形。
• 铜： 极具延展性和延展性；非常适合电线和热交换器。
• 黄金： 已知最具延展性和延展性的金属之一；用于电子和装饰应用。

延性破坏有哪些类型？

延展性失效有两种常见类型，根据材料的延展性水平进行区分。下面列出了这些内容：

1. 明显颈缩： 这是指高延展性材料承受拉伸载荷，导致显着颈缩（或横截面积减小）直至失效的情况。这些材料在最终失效之前会产生大量的永久变形。
2. 杯锥： 当延展性相对较低的材料失效时，就会发生这种失效模式。这种延性失效模式是由空洞成核和聚结引起的，最终导致裂纹扩展和失效。

延性破坏和脆性破坏之间有什么区别？

当材料的负载超过其屈服强度并在最终失效之前开始塑性变形一段时间时，就会发生延性失效。脆性材料在断裂前很少或没有塑性变形。它们的极限抗拉强度和屈服强度非常接近。由于缺乏塑性变形，脆性材料不会给出任何即将失效的视觉迹象。

大多数材料会失败，因为它们表现出延性和脆性行为的某种组合，并且应变率和温度都可以将材料的行为从延性改变为脆性，反之亦然。 

有关详细信息，请参阅我们的脆性失效指南。

摘要

本文介绍了延性破坏，解释了它是什么，并讨论了如何管理和预防它。要了解有关延性破坏的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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