结构在载荷作用下的性能表现取决于两个层面的因素。一 个因素是材料的基本力学性能 ，也就是材料本身的能力。每种材料都有其自身的能力和极限。使用不同材料的结构会有不同的性能表现。另一个因素是结构的特性，主要是结构的几何特性，例如结构的形状、布局、截面、厚度、连接、形面的变化情况（如均匀变化或突然变化）等 。它与结构的具体设计有关。

 

一、结构失效

 

结构失效的一个重要因素是材料失效。金属材料是制造汽车的核心材料。在前面章节(第 1.2节 ）中所述的汽车耐久性失效的各类问题中，涉及金属材料的失效形式有四种。

 

1.  变形失效

 

变形失效是指零件、部件、部分结构或整体结构的形状或尺寸发生变化，足以使它们丧失或严重减低原始的功能和性能。变形失效时，材料没有损失，只是形状或尺寸发生变化。

 

屈曲也是一种变形，是受压力结构的一种特殊变形。

 

2. 断裂失效

 

断裂是指零件或部件的材料发生分离裂纹可以是材料的完全分离，也可以是局部的分离。如果零件或部件的材料不是整体完全分离，只是局部的材料穿透分离，这种材料的分离称为裂纹。断裂失效时，材料没有损失，但是发生了分离。

 

3.  磨损失效

 

磨损是指两个相互接触的零件之间由于发生擦伤或黏附而导致的表面材料损失。如果磨损 是由 流 体 （气体或液体）造 成 的 ，则称为侵蚀。磨损失效是指磨损积累足够大时，原定零件的功能和性能严重减低甚至丧失。磨损失效时，材料发生损失。

 

4.  腐蚀失效

 

腐蚀是由于化学作用而造成的材料变化。腐蚀失效是指腐蚀足够深时原定零件的功能和性能严重减低甚至丧失。腐蚀失效时，材料本身的性质发生了变化。

 

材料 的 力 学 性 能 （也称力学行为或机械性质）是指材料在载荷的作用下变形和断裂时的特性和规律。材料的力学性能是金属结构维持其结构形态和承受载荷的一个基本要素。

 

任何材料承受外力载荷的能力都是有限度的。当外力载荷超出了材料的某些能力极限时 ，材料就会发生相应破坏。金属材料具有在各种环境下抵抗不同载荷破坏的能力。其中金属材料承受静载荷、冲击载荷、持续交变载荷和热载荷的能力，对汽车结构的耐久性能尤为重要。金属材料抵抗破坏的能力不仅会因载荷类型的不同而不同，也会因环境条件的不同而不同 ，还会因材料有无缺陷而不同。

 

材料力学是研究无缺陷材料在外力的作用下，从完 整 无 缺 到 发 生 破 坏 （屈 服 和 断 裂）规律的学科。如果材料已经存在裂纹，材料抵抗破坏的能力就会下降。裂纹在外力的作用下可能扩展。这个裂纹扩展的过程称为裂纹失稳。研究有缺陷材料在外力的作用下裂纹扩展规律的学科是断裂力学。在材料力学中，材料抵抗破坏的能力被称为材料的强度。在断裂力学里 ，材料抵抗裂纹失稳扩展的能力被称为材料的断裂韧度。材料的强度和韧度都是材料抵抗断裂破坏的重要力学性能。

 

二、材料力学性能

 

无缺陷材料抵抗静态外力的力学性能一般由材料的静态轴向拉和压缩试验提供。在汽车结构的强度分析中，材料拉伸时的力学性能更为重要，是汽车结构强度分析的主要依据。图 2. 1 所示的是一个静态轴向拉伸试验中，试验样件截面应力和应变计算的示意图。

 

 

图2. 1 用于应力和应变计算的示意图

 

材料静态拉伸试验中的轴向外力F 通常是缓慢施加的，以保证其静态的性质。试 件的 原 始 截 面 积为 原始 长 度 为 L 。在试件的拉伸过程中，试 件在 轴 向变 形 的 拉 伸 长 度 为 截面 上 的名义应力和应变定义为。

 

应力：

 

应变：

 

图 2. 2 是一 条典型的低碳钢应力-应变曲线。曲 线 A 是按照名义应力和应变得到的曲线 。其 中 ，应 力点 1 是材料的抗拉强度(或强度极限），应 力点 2 是材 料 的 屈 服 强 度(或屈服极限）。强度极限是材料发生断裂破坏时的材料应力，是材料所能承受的最大应力。屈服强度指材料在出现屈服现象时所能承受的最大应力。当金属材料的应力超过屈服极限时 ，材料将发生塑性变形。曲 线 A 是用所施加的力除以试件横截面的原始面积得到的名义应力形成的，称为 名义 应 力 -应 变曲 线 ，也 称 工程 应 力 -应 变曲线 。材料拉伸的应力-应变曲线提供了材料的抵抗变形和破坏能力的力学性能指标。

 

材料在断裂时的应变 称为延伸率，即试件在断裂时的试件长度和试件原长度的差值和原长度的比值，其单位通常用％表示。试件在断裂时的截面积与原截面积的差值和原截面积的比值 称为截面收缩率，其单位通常用％表示。延伸率和截面收缩率都是度量材料塑性的一个指标。按材料的延伸率 ，工程材料分为塑性材料和脆性材料。通 常 > 5 % 的材料称为塑性材料或延性材料，如碳钢、铝 合金 ；  < 5 % 的材料称为脆性材料，如灰铸铁。即具有较高的抗拉强度，又具有较高的延伸率 (或截面收缩率) 的材料称为韧性材料。

 

低碳钢的延伸率在 2 0% 〜30 % ，截面 收 缩 大约为60 % , 是典型的塑性材料。对于塑性材料，在试件的拉伸过程中，试件的截面实际上是在变化的。在 图 2. 2 中显示了低碳钢试件的截面变化情况。一般塑性材料在经过了屈服阶段以后会进入强化阶段。在强化阶段中，试验样件的横向尺寸有明显减小。在经过了强度极限以后会出现颈缩现象，尺寸突然急剧缩小，直至断裂。使用真实的试件截面积计算应力而形成的应力- 应变曲线称为真实应力 -应 变曲 线 。曲 线 B 是低 碳 钢 的 真 实 应 力 -应 变曲 线 。应 力点 3 是材料的断裂强度。对于尺寸较大、延伸率较大的塑性材料，真实的断裂应力与名义的断裂应力存在一定的差别。

 

但是在实际工程应用中，一 般使 用 名 义 应 力 -应 变曲 线 （工 程 应 力 -应 变曲 线 ）。抗拉强度^是 材 料断 裂前 所 达 到 的 最 高 工 程 应 力。屈服强度和抗拉强度 是塑性材料强度分析的两个重要材料指标。

 

脆性 材 料 不 发 生 （或很小）塑性变 形，没有屈服极限，在经历很小变形的情况下即发生断裂。图 2. 3是灰铸铁的应力-应变曲线。试 件拉 断时 的最 大 应 力（应 力点 1) 即为其强度极限。强度极限是衡量灰铸铁力学性能的唯一指标。

 

图 2.2 塑性材料的应力-应变曲线   图 2.3脆性材料的应力-应变曲线

 

灰铸铁所含的石墨形态是片状。经 球 化 处 理 后 的 铸 铁成 为 球墨 铸 铁（石墨形态是球状 ），力学性能有显著变化，不但有较高的强度，还有较好的塑性性能。汽车底盘零件经常使用球墨铸铁。

 

对没有明显屈服阶段的塑性材料，工程上一般规定产生0 .2 %塑性应变时的应力为名义 屈 服 极 限 （或条件屈服极限）。

 

汽车常用材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和延伸率列于表2.1。

 

表 2. 1 汽车常用材料的弹性模置、屈服强度、抗拉强度和延伸率

 

三、材料变形

 

1、弹性变形

 

在材料静态拉伸试验中，随着轴向外力载荷的增加，应力和应变按照一个比例成正比增加 ，在应力和应变的坐标图中成一条直线，如 图 2. 4 所示。当载荷卸载时，应力和应变按照同一比例减小，在应力和应变的坐标图中沿加载时的轨迹原路返回。当载荷完全去除后，材料中的应力和应变为零。这种应力和应变按一定比例变化，并且移除载荷后应力和应变归零的变形为弹性变形。比 例 常 数为 材料 的 弹 性模 量 E ，弹性变形是在卸载后可以完全恢复原形的变形。

 

2. 塑性应变

 

在材料静态拉伸试验中，当应力超过材料的屈服极限后，载荷再继续增加，应力和应变不再按照弹性模量E 的比例继续增加，在载荷完全去除后，材料中的应变不为零，此时的变形为塑性变形，如 图 2. 5 所 示 。塑 性 变 形 是 在 卸 载 后不 会 消 失 （或无法恢复） 的变形 ，是永久变形，也称残余变形。卸载后所恢复的一部分变形是弹性变形。例如低碳钢的屈服极限为207 MPa。当外力高于屈服极限以后，材料会产生永久变形；如果外力低于屈服极限的作用力，卸载后材料还会恢复原来的状态。

 

材料在受到外力后发生变形是不可避免的。但 是 ，过量的变形，尤其是永久性的变形经常是有害的。

 

3 . 蠕变应变

 

弹性应变和塑性应变可以理想化地看成是在应力作用下瞬时出现的。在一定的条件下应力没有变化，材料仍然随着时间的推移进一步逐渐发生变形，这种变形被称为蠕变变形。蠕变是与时间相关的材料变形行为，是随着时间积累的变形。在 恒 定 应 力下 的 蠕 变，应变随着时间而发生变化。开始时材料达到与应力相对应的弹性变形，之后 ，应变继续缓慢增加。如 果 去 除 这 个恒定的应力，材料中的弹性应变会迅速消失， 一 部分 蠕 变 应 变也 会 随 着 时 间 缓 慢地 消 失 ，但最终会材料会残留一部分应变成为永久变形。这个蠕变过程如 图 2. 6 所示。

 

 

四、温度对材料力学性能的影响

 

上述金属材料的静态拉伸试验是在常温下进行的。在不同的温度下，材料的力学性能是有变化的。在高温下，试验的时间长短对材料的力学性能也会产生影响。

 

1、短时温度对材料力学性能的影响

 

由于在高温下材料的力学性能与试验的时间长短有关。如果材料的静态拉伸试验在几分钟内完成，试验称为短时试验。从各种温度下的短时静态拉伸试验中得到的低碳钢的弹性模量E、屈 服 强 度 、抗拉强度、延 伸 率 、截面收缩率随温度变化的曲线如图2. 7 所示。

 

图 2. 7的 横轴 为 温度 。左 纵轴 为 弹 性模 量E、屈 服 强 度、抗 拉 强 度， 单 位 为应 力 单位。因为弹性模量E：、屈服强度 、抗拉强度，在数值上相差很多，所以分为上、下两部分。下半部 分 是 针对屈服 强 度 、抗拉强度 , 数值范围 在 1 00 〜700MPa; 上半 部 分 是 针对 弹 性模 量E，数值范围在 1 37 〜216GPa (lG Pa = 103MPa)。右纵轴为延伸率 、截面收缩率，单位为％。

 

从 图 2. 7 可 以 看 到 ，低碳 钢 的 弹 性模 量 E、屈服 强 度 、抗 拉 强 度、延 伸 率 、截面收缩 率都是随温度而变化的。弹 性模 量 E和 屈 服强度是 随 温 度 的 升 高 而 降 低 。抗 拉 强 度 、延伸 率 和截面收缩率随温度的变化分为两个不同 的 区 间。在 前 一 个 温 度 区 间（大 约 低于250 )，抗拉 强 度随温 度 的 升 高 而 提 高 ；而延伸 率 和截 面 收缩 率随温度的升高而降低。在另 一 个 温 度 区 间（大 约 高于 250 )，抗拉强度随 温 度 的 升 高 而 降 低 ；而 延 伸 率 截面 收 缩 率随温度的升高而提高。所 以 ，在不同温度下工作的零部件需要使用相应的材料性能参数。

 

2、长期高温下材料的蠕变和松弛

 

金属材料在高温下的力学性能在一定的情况下，因为载荷长时间作用而发生变化。材料的试验表明，在一 定 的 温 度 （对 碳素 钢 来说 ，30 0 〜350 ) 下 ，载荷长时间的作用对材料的力学性能影响不明显。但是当温度高于一定值，并且应力超过一定限度时，材料在应力和温度都不变的情况下，变形随着时间的增长而缓慢加大。这种现象称为蠕变。蠕变变形是塑性变形，在卸载后它不会消失。金 属 材 料 在 3 0 % 〜60 % 的 材 料 绝对 熔点 温 度 （T m) (即0.3T〜0.6Tm) 以上温度会发生蠕变，或者说在这样的温度下蠕变变形已经足够大、对材料和结构显现出不容忽略的影响。在汽车发动机缸体内壁的一些区域和排气歧管的一些区域都存在蠕变现象。

 

在高温下工作并发生弹性变形的零部件，在变形总量不变的情况下，随着时间增长而发生蠕变，蠕变逐渐产生的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零部件内的应力逐渐降低。这种现象称为松弛。松弛可能使原来紧密配合的零件发生松动。

 

材料的蠕变与温度有很大的关系。几乎所有材料在接近其熔点温度时都会发生蠕变。塑料和低熔点金属在室温时就可以发生蠕变。例 如 ，汽车的内饰件在常年的炎热天气和烈曰照射下会发生蠕变，产生永久变形或塌陷。

 

蠕变可能造成的材料失效有两种。一种是材料的过量变形，例如汽车内饰件的变形。另一种是蠕变断裂，即由于蠕变过程而导致的材料分离。有 许 多 关 于估 算 蠕 变 断 裂 时 间（材料蠕变寿命） 的研究。由于蠕变破坏是一个非常长期的过程，而汽车的使用和相应产生的热载荷都不是衡温，而是呈现为周期变化的形式，例如 ，对汽车内饰件品质和状态影响重大的温度变化以天为周期，对发动机结构有很大影响的热载荷以每次驾驶汽车为周期。

 

3、常温下材料单向动态拉伸时的力学性能

 

上面所讲到的材料力学性能的试验曲线是在缓慢加载、即所谓的静态情况下获得的。如果加载的速度变快，材料的力学性能会发生变化。在髙温情况下，加载速度的影响更为显著。习惯上把产生大于0.05/s (单 位 为 l / s ) 应 变速 度 （) 的载荷称为动载荷。

图 2. 8 是低碳钢在常温情况下静载荷和动载荷的拉伸试验结果。曲 线 1 是静载荷下的应力 -应 变曲 线 ；曲线2 是动载荷下的应力-应变曲线。比较两者可以发现，在动载荷下，材料的屈服强度。 和抗拉强度比静载荷下的数值有所提高，材料的延伸率有所降低。其他塑性材料也有类似的变化。图 2. 9 是宝 钢 DC0 1 低碳钢在不同应变速率情况下的应力-应变曲线。从图中可以看到，随着加载速率的提髙，材料的屈服强度和抗 拉 强 度 均 不 断 提高 。

 

汽车在行驶时的状态是动态的。动态载荷对结构的影响与静态载荷有两个方面不同。第一 ，对车辆产生冲击。例如汽车加速、紧急制动，汽车以一定的速度撞击路沿和通过凹坑等。冲击导致结构动应力比静态应力增大很多。第 二 ，动态载荷可以激起结构共振，应力会放大。第 5 章将对动应力进行比较详细的介绍。因为过应力可能造成结构破坏，设计时需要确保结构中的动应力低于材料的强度极限。在目前的汽车结构耐久应力分析中，一般按照静强度 的 极限判别过应力（超过材料强度极限的应力）。这样做一方面是因为结构耐久问题中的变形属于小变形，应变速度的影响不大；另一方面，使用静强度极限既保守，也不需要不断根据动态载荷的速率更新材料的应力-应变曲线。

 

4、多向复合应力状态下的材料强度理论

 

一般情况下材料形状和所受的应力状态是各种各样的，材料的静强度无法直接使用材料单向拉伸试验的结果来分析。所以材料力学的研究者根据材料失效的现象，对破坏的主要原因提出了各种假设，利用简单应力状态的强度指标，建立了复杂应力状态下材料失效判别的强度条件，称为强度理论。

 

在材料力学里，强度失效分为两种主要形式，即 屈服和断裂。相应地，强度理论也分成两类。一类是解释断裂失效的，其中有最大拉应力强度和最大拉应变强度；另一类是解释屈服失效的，其中有最大切应力强度和畸变能密度强度。

 

1. 脆性断裂的强度理论

 

( 1)  最 大 拉 应 力强 度 （第一强度理论）

 

这一理论认为最大拉应力是引起材料断裂破坏的主要因素。断裂的准则是

 

 

强度条件为

 

( 2)  最 大 拉 应 变强 度 （第二强度理论）

 

这 一理 论认 为 最大 拉应 变（伸长线应变）是引起材料断裂破坏的主要因素。断裂的准则是

 

强度条件为

 

2. 塑性屈服的强度理论

 

( 1) 最大 切 应 力强 度 （第三强度理论）

 

这一理论认为最大切应力是引起材料屈服破坏的主要因素。屈服的准则是

 

强度条件为

材料力学还包括了莫尔强度理论。莫尔强度理论在抗拉和抗压强度相等的条件时，也可以导出最大切应力理论的强度条件。与最大切应力理论相比，莫尔强度理论包括了材料抗拉和抗压强度不相等的情况，比最大切应力理论更广泛。而 且 ，不同于其他强度理论是基于对失效原因的假说，莫尔强度理论则是基于实验结果而建立的。

 

( 2) 畸变 能 密 度 强 度 （第四强度理论）

 

这 一理 论认 为 是畸 变 能 密 度 （最大形状改变 比 能 ）是 引 起 材 料 屈服破坏的主要因素。屈服的准则是

 

 

强度条件为

该理论也称为von Mises屈服理论或畸变能理论。相应的屈服准则被称为von Mises屈服准 则 或 Mises屈服准则。其中的等效应力被称为von Mises应 力 ，也有 人 称 其 为 Mises应 力 ，记为

 

在汽车结构强度分析中，von Mises应力被经常使用。

 

在实际汽车结构的强度分析中，

 

使用 von Mises应 力 或 第 一 主 应 力的情况较多。是许用应力的标准值。在静态载荷下，材料造成破坏是因为外加的载荷已经超出了材料所能承受的静载荷极限 ，结构中的应力超出了材料的静强度极限。这种超出了材料应力极限的破坏被称为过应力破坏。

来源：CAE之家

关键词： 金属材料