金属材料的物理性质在工程中的影响以及疲劳破坏的危害

马良?史航?石晓晓

所谓金属材料，是指金属元素或金属元素为主构成的材料，具有金属的性质。我们常说的纯金属和合金（当然还有金属材料金属间化合物和特种金属材料等）都在金属材料这个大的范畴中。在实际的工程中，我们对于纯金属的应用很少，更多的研究和使用合金。材料力学和工程力学所研究的金属材料，可以分为塑性材料和脆性材料两大类。工程中常用的低碳钢和铸铁，分别属于塑性材料和脆性材料。一旦某种材料的构件，其载荷超出其力学极限，材料会发生破坏，不同金属材料的物理性质则为我们提供了它们的力学极限，指导生产生活中的選择。但并非所有破坏是在载荷超出力学极限才会发生，疲劳就是特殊的例子。所以，为了工程的安全，我们必须对于疲劳破坏进行深入的研究和了解。

1 金属材料的物理性质在工程中的影响

对于低碳钢和铸铁而言，都是典型的铁碳合金。近乎相同的化学组成，使铸铁和低碳钢在化学性质上并没有明显差异，理但是由于C含量的不同，两者的物理性质具有很大差别很大区别。

以低碳钢为代表的塑性材料，其受力变形时，有明显的塑性变形过程，其受力形变过程主要分为弹性阶段，屈服阶段，强化阶段和颈缩阶段。在开始外载荷较小时，塑性材料首先处于弹性阶段的小变形。在这个阶段，塑性材料的形变量与所受外载荷大小成正比例关系，且外载荷撤除后，形变可以完全恢复。如果外载荷达到比例极限后继续增加，那么加大到一定程度则使塑性材料的形变处于屈服阶段，这时的变形在撤除外载荷后已不能完全恢复，即金属材料已失去了进一步抵抗变形的能力。外载荷继续增加，会使塑性材料进入到强化阶段，这时，即使外载荷不明显增大，塑性材料的应变也会明显增加。之后进入到颈缩阶段，这个阶段肉眼可以观察到明显的塑性变形，继续加大外载荷，材料将会在颈缩处断裂。

而相比于以低碳钢为代表的金属塑性材料，以铸铁为代表的脆性材料则不具有明显的塑变过程。实际生产生活中，铸铁构件受拉时，其拉断破坏往往具有突然性。

在实际的工程上，对于房屋或大型工作平台，我们一定会要求，材料不能是突然性的断裂，发生彻底性断裂之前，要先发生便于察觉的宏观形变过程。塑性材料受力首先发生屈服阶段，强化阶段，而之后的颈缩可以使人们立即意识到环境的危险性而迅速地做出求救或撤离的安全措施，这也是防震、防灾的需要。反观脆性材料，其过载时的突然性断裂会使得事故的破坏性和伤亡程度大大增加。基于这一点，我们在选择房屋构建材料时，会首先选用塑性材料。

以低碳钢为代表的塑性材料，具有更好的韧性和延展性，这就使得塑性材料的构件便于加工（便于切削等），也使得塑性材料常用于热锻，冷锻等加工手法中。

除此之外，一般情况下，塑性材料的抗拉强度明显强于脆性材料（Q235钢的抗拉强度为375-460MPa，灰铸铁HT200抗拉强度是200MPa）。所以就抗拉性能而言，塑性材料较好。铸铁的拉压刚度则有明显区别，抗拉强度远低于抗压强度。对于塑性材料，其拉，压强度基本相同。塑性材料的抗剪能力很低，很容易发生剪切破坏。这一现象在生产生活中比较常见，当塑性材料受拉发生断裂时，我们会发现其断口并非水平，而是大约成倾斜45度，这正是由于剪切破坏造成的。同理，铸铁在拉伸变形时，断口大致成水平，这便是拉断破坏的结果。

以低碳钢为代表的塑性材料，具有更好的韧性和延展性，这就使得塑性材料的构件便于加工（便于切削等），也使得塑性材料常用于热锻，冷锻等加工手法中。

比起塑性材料，脆性材料具有很好的吸振性，在实际的生产和生活中，振动会是一柄双刃剑，他在造福人类的同时也为生产生活埋下了隐患，必要时候，需要减振来避免麻烦或危险，此时，脆性材料就成为了不错的选择。

另外以铸铁为代表的脆性材料的高硬度高脆性决定其必然具有很好的耐磨性，所以在机械制造中，耐磨构件可以选择脆性材料。

2 疲劳破坏

物理性质决定材料的力学性能，外载荷超出力学承载能力，必然发生相应破坏。在实际生产和生活中，很多破坏发生时，外载荷却远低于材料的力学承载能力。

汽车车内的轴承，不断与车轮，车轴进行着往复的相互运动，当我们的车子行驶累计到一定里程时，我们车子的轴承可能突然发生破坏，在行驶的途中，这是相当危险的。我们不禁要问，车子每天都是这样跑的，轴承破坏时的路况、载重量等因素与平日里是一模一样的，并没有过载工作，但今天轴承在安全力学极限范围内的突然破坏，着实让人费解。

除了汽车轴承破坏，航空发动机高压涡轮盘的裂纹，柴油机齿轮的失效等，这些破坏，都属于我们接下来要说的疲劳破坏。

疲劳，究其定义，是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。通过疲劳的定义和疲劳破坏的实例，我们不难发现，疲劳破坏具有以下特点：

（1）疲劳破坏中材料所受的并不是固定载荷，而是交变载荷。（2）疲劳破坏是一个时间积累的过程，即需要交变载荷的反复作用。（3）疲劳断裂不具有时间缓冲性，是瞬时性的破坏。（4）任何材料在疲劳断裂区的破坏的都是脆性的。

通过这些特点，我们不难发现两个问题。

首先对于疲劳破坏而言，塑性材料不再具有时间缓冲优势，即对于任何材料，疲劳破坏都会导致突然性的断裂，这就使得我们的建筑、工作平台，在发生彻底断裂性破坏之前无法给予人们足够的信号和时间。

另外，对于疲劳断裂，它发生在外载荷没有达到许用载荷，甚至是远远小于许用载荷的情况下，也就是，疲劳断裂，并不是根据书上所给的强度公式，就可以轻易地计算或测算出来的，所以其预防难度也就大于我们常规的强度刚度破坏。

所以，基于以上原因，我们可以说，对于生产在生活中来讲，疲劳断裂是工程上最为常见，同时也是最危险的断裂形式。工程中，对于疲劳断裂的防治是一个重要课题。

3 结束语

金属材料在工程上具有广泛的应用，研究不同金属材料的性质及其选择，研究工程上金属材料的不同破坏，是提高工程安全，产品质量的重要手段，对于实际生产生活中具有极为重要的实用价值。

作者简介

马良（1993-），就读于郑州大学金属材料科学与工程。