2.3.3 低应力延时断裂
零构件在变动载荷、高温、介质长时间作用下，即使应力低于屈服强度，也会通过裂纹的萌生、扩展而导致最后断裂，这类断裂统称为低应力延时断裂。其特点是应力低，裂纹的萌生、扩展都与时间有关。在变动载荷作用下发生的低应力延时断裂称为疲劳断裂。在高温下发生的低应力延时断裂称为高温蠕变断裂。在介质作用下发生的低应力延时断裂称为应力腐蚀断裂。
2.3.3.1 疲劳断裂
许多机件承受的是大小及方向不断变化的变动载荷，例如轴、齿轮、弹簧等。在变动载荷作用下，材料经常在远低于其屈服强度的载荷下发生断裂，这种现象称为“疲劳”。疲劳断裂时，材料没有明显的塑性变形，断裂是突然发生的，常常造成严重的事故。
对承受变动载荷的零件，用于描述疲劳的主要力学参数包括最大应力Rmax、最小应力Rmin，以及由Rmax、Rmin计算得到的应力半幅ΔR和应力比r：
（2-12）
（2-13）
对疲劳起决定作用的是应力半幅ΔR，其次是应力比r。应力半幅越大则发生疲劳断裂的周次越小，在相同应力半幅情况下，应力比越大，则越容易发生疲劳断裂。
疲劳断裂过程包括裂纹萌生、裂纹扩展和瞬间断裂三个过程。
疲劳裂纹往往发源于宏观和微观上的应力集中处，称为疲劳裂纹策源地，如图2-43所示。表面尤其是应力集中处的表面应力最大，最容易萌生裂纹。次表面的夹杂物等材料缺陷处也造成微观上的应力集中，也容易萌生裂纹。
裂纹萌生后在反复应力作用下进行缓慢扩展。裂纹扩展速率用da/dN表示，a是裂纹长度，N是应力循环次数。疲劳裂纹扩展速率与应力场强度因子的关系是：
（2-14）
图2-43 疲劳断裂断口
式中，c和n是常数；Kmax和Kmin分别是最大应力和最小应力对应的应力场强度因子，其差值称为应力场强度因子幅度。裂纹扩展速率与应力场强度因子的关系如图2-44所示，当应力场强度因子幅度很小或很大时不符合式（2-14），裂纹扩展速率分别趋近于0（裂纹不扩展）和无穷大（裂纹失稳扩展）。与裂纹扩展速率趋近于0对应的应力场强度因子幅度用ΔKth表示，称为疲劳门槛值，是材料性能指标。所以，疲劳裂纹扩展的条件是：
Kmax-Kmin≥ΔKth （2-15）
图2-44 疲劳裂纹扩展速率
随着裂纹扩展，应力场强度因子KⅠ不断增大，当Kmax≥KⅠC时发生断裂，形成最终断裂区。
按加载方式对疲劳进行分类，包括弯曲疲劳、旋转弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳、接触疲劳、热疲劳等。受弯曲的轴类属于旋转弯曲疲劳，齿轮、轴承等属于接触疲劳，因急冷急热引起热应力变化造成的疲劳称为热疲劳。
疲劳断裂的材料性能指标除了上述的疲劳裂纹扩展速率、疲劳门槛值以外，用得最多的是疲劳极限。以最大应力Rmax为纵坐标，以疲劳断裂周次N为横坐标绘制最大应力与断裂周次之间的关系曲线，称为疲劳曲线，如图2-45所示。
随最大应力减小，断裂周次增大，当应力低于某一值时，材料经无限循环周次也不发生断裂，如图2-45（a）所示，此值称为疲劳极限或疲劳强度，用Rr表示，其中r是应力比。钢的疲劳曲线属于图2-45（a）所示的有水平部分的类型。铸铁和多数有色金属材料的疲劳曲线属于图2-45（b）所示的无水平部分的类型，疲劳极限用循环次数为N0时的断裂对应的应力表示，N0常取为106～109。疲劳极限远低于屈服强度，R-1=（1/3～1/2）RP0.2。
图2-45 疲劳曲线
例2-7 一个仅受弯曲应力的轴，最大弯曲应力Rmax=200MPa。画出应力与时间的关系曲线并说明选材时应考虑哪些强度指标。
分析：轴受弯曲载荷作用，在静止情况下上面受压应力，下面受拉应力，如图2-46（a）所示。如果匀速旋转，则应力随时间按正弦波规律变化，如图2-46（b）所示。根据题中条件，Rmax=200MPa，Rmin=-200MPa，r=-1。材料的疲劳强度R-1>200MPa。在没有R-1数据的情况下，用屈服强度代替，RP0.2>（2～3）Rmax=400～600MPa，相当于按静强度计算时取安全系数为2～3。
图2-46 旋转轴的应力分析
例2-8 一根搅拌机的轴，以前搅拌时单向旋转，搅拌7h停1h，已用10年未断，也无裂纹出现。现在改进搅拌工艺，每小时正反转60次，结果用了10天轴就断了，请分析原因。
分析：假设搅拌时轴表面最大切应力为τmax，由于单向旋转和双向旋转时轴表面受到的应力不同，如图2-47所示。单向搅拌的应力半幅是τmax/2，而双向搅拌的应力半幅是τmax，是前者的2倍，两者的应力比也不同，前者是0，后者是-1。另外，单向旋转尽管用了10年，每天的应力循环次数只有3次，每年按300天计算，10年只有9000次。双向旋转每小时60次，1天1440次，10天14400次。为了防止轴的断裂只能换用强度更高的材料或增加轴的直径减小表面应力。
对于钢制零件，在正常情况下，如果应力循环次数大于106不断，基本上不会断裂，如果发生断裂，可能是超载或磨损等原因造成的。如果偶尔有零件发生早期（<105次）断裂，往往是材料本身的问题或严重超载造成的。
图2-47 扭力轴应力与时间的关系
2.3.3.2 高温蠕变断裂
在高温和恒应力作用下，随时间的延长，材料缓慢地产生永久变形的现象称为高温蠕变。由蠕变变形而最终导致的断裂称为蠕变断裂。在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定蠕变应变的最大应力称为蠕变极限，用
表示，例如：
表示材料在500℃、10000h产生1%的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。蠕变极限表示材料抵抗高温蠕变变形的能力，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。
持久强度是材料在一定温度和规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力，用
表示。如
表示材料在500℃下工作1000h的持久强度为200MPa，即R<200MPa，工作1000h，或R=200MPa，工作时间小于1000h不会断裂。
火电、核电行业的许多零构件，高压锅炉，汽轮机叶片，航空发动机的涡轮盘、叶片等在高温下服役，在选材和设计时都要考虑高温蠕变断裂问题。
2.3.3.3 应力腐蚀断裂
材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的低应力延时断裂称为应力腐蚀断裂。这是应力和腐蚀联合作用的结果。如果只有一个方面，应力或介质的作用，破坏不会发生，但当二者联合作用时，却能很快发生开裂。因此，发生应力腐蚀时，应力是很低的，介质的腐蚀性也是很弱的，也正由于此，应力腐蚀经常受到忽视，导致“意外”事故不断发生。
应力腐蚀断裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或两者兼有之）和特定的腐蚀介质存在。特定的材料与特定的介质相组合时才会发生应力腐蚀，如α黄铜只在氨液中而β黄铜在水中发生应力腐蚀。裂纹源起于表面，裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9～10-6m/s，这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。当裂纹尖端的应力场强度因子达到材料的断裂韧性时发生断裂。
裂纹扩展速率da/dt与应力场强度因子KⅠ有关，KⅠ越大，da/dt也越大。类似于疲劳裂纹扩展有个门槛值ΔKth，应力腐蚀也有一个门槛值KⅠSCC，当KⅠ<KⅠSCC时裂纹不扩展。
防止应力腐蚀开裂的措施如下。
（1）合理选择材料 针对零件所受应力和使用条件选用耐应力腐蚀的材料，这是一个基本原则。如铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免使用铜合金；又如在高浓度氯化物介质中，一般可选用不含镍、铜或仅含微量镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基和铁-镍基耐蚀合金。
（2）减小或消除零件中的残余应力 残余拉应力是产生应力腐蚀的重要条件。为此，设计上应尽量减小应力集中。从工艺上说，加热和冷却要均匀，必要时采用退火工艺以消除内应力，或者采用喷丸或化学热处理，使零件表层产生一定的残余压应力对防止应力腐蚀也是有效的。
（3）改善介质条件 这可以从两个方面考虑：一方面，设法减少或消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中氯离子含量对防止奥氏体不锈钢的氯脆十分有效；另一方面，也可以在介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加3×10-4mol/L的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。
（4）采用电化学保护 由于金属在介质中只有在一定的电极电位范围内才会产生应力腐蚀，因此采用外加电位的方法，使金属在介质中的电位远离应力腐蚀电位区域，一般采用阴极保护法。不过，对高强度钢和其他氢脆敏感的材料，不能采用这种保护方法。有时采用牺牲阳极法进行电化学保护也是很有效的。
知识巩固2-9
1.在变动载荷作用下发生的低应力延时断裂称为_________。
（a）高温蠕变断裂 （b）疲劳断裂 （c）应力腐蚀断裂 （d）热疲劳断裂
2.在高温下发生的低应力延时断裂称为_________。
（a）高温蠕变断裂 （b）疲劳断裂 （c）应力腐蚀断裂 （d）热疲劳断裂
3.在介质和应力共同作用下发生的低应力延时断裂称为_________。
（a）高温蠕变断裂 （b）疲劳断裂 （c）应力腐蚀断裂 （d）热疲劳断裂
4.当应力低于某一值时，材料经无限循环周次也不发生断裂，此值称为_________。
（a）疲劳极限或疲劳强度 （b）疲劳断裂
（c）疲劳源 （d）疲劳裂纹
5.接触疲劳是常见的疲劳之一。（ ）
6.在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定蠕变应变的最大应力称为持久强度。（ ）
7.蠕变极限是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。（ ）
8.高压锅炉和汽轮机等在高温下工作的零构件在选材时应考虑高温蠕变问题。（ ）
9.腐蚀和应力腐蚀属于不同的概念。（ ）
10.海洋钻井平台在选材时应考虑应力腐蚀问题。（ ）