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7 机械材料强度与机械失效 7.1机械材料强度与零件强度 7.1.1机械材料失效与机械零件失效 所有机械零件在运转过程中，都在某种程度上承受着力和能量，以及温度，接触介质等的作用，使机械材料发生过量变形，破断、表面麻点剥落等失效现象，从而导致机械零件失效。因此，机械材料失效是机械零件失效的实质和先导。 机械材料的失效分析是解决机械零件失效问题的先导。对于新设计的重要部件，有时需要对试制样品进行人为的超载破坏试验以获得安全或失效数据资料，只有把失效原因和全过程弄清楚，才能揭示其中存在的材料强度问题并寻求克服失效的途径。 为了克服机械材料失效，必须掌握材料失效的客观规律。这就是：不同材料在各种外加载荷和环境下发生的变形，破裂，断裂，表面麻点剥落等现象及其发展过程，以及随外在工作条件和材料内在因素而变异的规律。工作条件包括：承受载荷的性质（静载荷、冲击载荷、变载荷），加载次序（载荷谱），应力状态（拉、压、弯、剪、接触及各种复合应力），温度、环境介质（空气中水分，化学腐蚀、冲刷、磨损、微动腐蚀、粒子辐射……）等。材料内在因素包括：化学成分，冶金质量，组织状态，精细结构，残余应力以及表面或内部缺陷等。由于这些内外因素的不同组合而造成机械材料失效。其中内因往往以材料强度来表征。 材料在外力作用下，抵抗变形和破断失效的能力称为材料强度。通常以应力σ表示，即以单位面积上所承受的载荷表示，单位为兆帕（Mpa）或千克力/毫米2（kgf/mm2）。 一般讲来，材料强度仅指材料在达到允许的变形程度或破断前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服极限、强度极限、疲劳极限、蠕变极限等。但实际上，材料强度作为失效抗力的综合表征，它与所有力学性能，包括弹性、塑性、硬度、韧性等以及在静、动载荷下材料对应力集中，尺寸大小，表面状态、温度、接触介质的敏感性等等有关。 机械零件的强度，一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命，它是由许多因素决定的，其中结构因素，材料因素，加工工艺因素三方面起主要作用，使用因素对寿命也起很大作用。结构因素是指根据零件在整机中的作用与效能和结构强度所决定的形状，尺寸、以及与其它相连接零件的配合关系等。工艺因素是指全部加工工艺过程对零件各部位的强度所产生的影响。材料因素是指零件所用材料的成分、组织、性能以及制成零件各部位的强度。这三种因素有各自独立的作用，又相互影响，在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面的因素。 因此，材料强度是机械零件强度的基础；机械材料失效是机械零件失效的实质。 7.1.2机械材料抗失效性能指标 机械材料性能是研究机械材料抵抗机械零件失效的科学。从机械零件的具体工作条件出发，通过典型失效的分析，可以找出造成材料失效的主导因素，并确定衡量此种失效抗力的正确判据（强度指标）。针对这种对强度的特定要求选择最合适的材料成份及其组织状态，制定相应的工艺措施，并为设计提供正确的许用应力。以期求得最经济合理的设计，生产出质量高、重量轻、寿命长的产品，这就是材料强度工作服务于机械制造的主要内容。 人们经过长期的生产斗争和科学试验，已经建立并积累了许多反映各种失效抗力的材料强度指标。这些材料强度指标中有的能比较直观地看出其物理意义，并可以用于定量的设计计算，如屈服极限（σ5）、疲劳极限（σ-1）、蠕变极限（σδt/τ）、断裂韧性（K1CC）等，有的只能间接地估计它们对零件强度的作用，如延伸率（δ）、断面收缩率（）、和冲击韧性（ak）等。裂缝扩展速率da/dN是材料对亚临界裂缝扩展的抗失效性能指标，对于不可避免存在宏观缺陷的零件，为安全设计的重要依据，对于承受高周次疲劳经过机械加工的中小零件，则发生裂缝的孕育期N，不可忽视。 材料强度工作通过为设计及校核提供有针对性的材料强度指标，获得确切的许用应力及材料对应力集中，尺寸大小、表面状态。温度、介质、加载速度等敏感性数据而与结构设计联系起来；通过各种热、冷加工工艺及强化措施所产生的组织状态和残余应力等对材料强度的影响而与加工工艺联系起来，从而成为设计、材料、工艺三者之间联系的纽带。 在结构因素和工艺因素基本恒定时，为了保证足够的零件强度，其最薄弱环节（即危险截面）的尺寸大小主要取决于该零件的材料强度；在零件的最薄弱环节的形状、尺寸一定时，其短时承受能力和使用寿命，主要取决于该部位的材料强度。因此，在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着大多数零件的体积、重量和寿命。 当遇到零件短时承受能力不足或使用寿命较短，早期失效的情况时，单纯地加大零件尺寸不但多消耗材料，增加产品重量和动力消耗，而且往往不能有效地提高零件的强度和寿命。特别是在表面应力较高，有局部应力集中，存在难以避免的缺陷，有介质腐蚀或机械微动腐蚀时，更是如此。此外，加大一个零件尺寸会影响其它零件并带来工