關于脆性金屬材料性能求助

非法用戶

設計中一個零件選用了一種鎂合金材料，強度極限約300MPa，屈服極限約220MPa，延伸率約1.5%。
按工況進行了有限元仿真，應力集中處最大應力約200MPa，結構不會發生破壞。但是實際做加載試驗，并貼應變片進行監測，會發現當加載到工況載荷時應變測量值達到一個峰值后會緩慢持續下降，零件本身看不出失效。約10分鐘后，在零件表面出現一條從應力集中處開始的裂紋。重復幾次試驗都是這種結果。請教大家幾個問題：
1.延伸率1.5%肯定是脆性材料了，一般認為脆性材料的破壞應該是非常快的，基本是一旦到強度極限瞬間就應該破壞了。可試驗發現零件出現裂紋是個緩慢的過程，就像掰饅頭一樣，一點點的裂開，甚至有幾個試驗件雖然應變測量值在下降，但最后零件表面并沒有出現裂紋。脆性材料在什么條件下會出現這種現象？
2.試驗時零件加載是通過擰緊一個螺釘施加壓力，理論上當零件發生塑性變形也好、出現裂紋失效也好，螺釘這個預緊力應該很快降低，應變降到一定程度應該不再變化吧，為什么實際應變是持續下降呢？
3.當初選用這個材料時有人覺得延伸率太低不能用，但設計師覺得仿真算下來強度夠了，只要材料沒有內部缺陷哪怕延伸率低也沒問題，這種看法是否正確？
4.設計師選材料時只關注了強度極限、屈服極限、延伸率這幾個指標，但現在看下來應該還有其它材料參數會影響零件使用，請問對脆性材料，除了這幾個指標，還應該關注哪些參數呢？

魍者歸來

不知道啥工況，啥結構，不好瞎說。不過常見鎂合金的最優工作環境都不是室溫。你要確認一下零件的工況溫度和實驗的溫度是否一致。鎂合金的晶體結構注定了低溫下的性能不是那么nice

冷水黃金

脆性材料在高應力情況下，只能承受壓應力。
拉應力很難控制應力集中，材料質量、加工質量、使用質量、環境等，應力集中數十到上百倍小意思。
手冊把脆性材料定為5% ，我估計也是經過長期實驗、研究、使用總結的：當達到某個范圍時，能很好通過微變形抵消或分散應力集中。
所以設計人員水平還有待磨練。

大蘿卜

1，設計時工況選擇跟實際工況有差異；
2，安全系數不足

非法用戶

問題補充說明：
1.圖1為零件結構，零件上開一深窄槽（長60，寬4，深25），槽一邊開沉頭腰型孔，另一邊為M6螺紋。
2.圖2為零件安裝結構。零件通過深窄槽插入底座耳片上，通過螺釘擰緊（力矩6N.m，計算時按5000N預緊力），加緊底座耳片（厚度3.85）實現零件固定。圖中裂紋是將表面出現裂紋的試驗件人為分解后內部裂紋走向，試驗過程中并未完全斷開。
3.圖3為零件表面的裂紋走向，其中紅色、藍色裂紋為兩次試驗的裂紋結果，為方便查看，畫在一張圖上了。從試驗件斷口分析可知腰型槽底部圓角為裂紋起始點。
4.圖4為有限元仿真云圖，腰型槽底部圓角處（R0.5）應力最大，約220MPa（所截圖不是實際載荷大小，不用看圖標上的應力值），破壞的話也應該從這開始。
5.目前該零件已經安裝了近1000件，4件出現了裂紋，如果是設計余量不足，出問題的數量應該遠不止4件。而且材料要求性能是不小于250MPa，從零件上截取試樣實測性能能達到280MPa以上，材料強度也沒問題。大家討論下來有這么幾個問題：
1.為什么無論是零件實際安裝還是做驗證試驗，裂紋都是很緩慢的出現，破壞形式和以往對脆性材料的理解不一致。
2.在零件材料實際性能遠大于仿真應力的情況下仍有4件出現裂紋，應該是有除材料強度之外的其它因素出現了波動，目前尚未找到。
3.仿真時擰緊力矩6N.m轉換為預緊力5000N，可能與實際預緊力不一致，還要進一步驗證。

fangyunsheng

1. 從圖3看，左下角出現干涉（底座圓角處），是模型錯誤，還是實物也是如此？
2. 不知道受力情況，根據圖片，M6螺釘擰緊過程中，零件長槽腔被底座支撐著（或者間隙很大），這時候零件只是受局部壓力，看你說的裂紋，好像零件長槽內是空的，被壓潰一樣；
3. 是不是真像圖3那樣有干涉，導致螺釘夾緊過程中產生了彎曲應力？從名字看，下面的件叫底座，用來支撐的？怎么個受力情況？

非法用戶

fangyunsheng 發表于 2022-4-18 13:31
1. 從圖3看，左下角出現干涉（底座圓角處），是模型錯誤，還是實物也是如此？
2. 不知道受力情況，根據圖 ...

模型中左邊的倒角生成錯誤，實際零件是有倒角的，沒有干涉。
設計上槽的寬度為4（0，+0.1），支耳厚度4（-0.17，-0.05），設計最大間隙0.27，實物間隙一般在0.15左右。
破壞過程應該是從應力最大處（沉孔根部圓角處）開始，然后擴展。問題是計算上即便是圓角處的最大應力也未達到材料要求的屈服強度，而材料實測強度更高。還有就是為什么脆性材料這個裂紋擴展過程卻非常緩慢，基本要10分鐘以上才會在表面看到裂紋。此外，破壞受力部位是由于螺釘預緊力，可是如果發生塑性變形或者出現裂紋有了位移，預緊力應該馬上降低，裂紋應該不會繼續擴展吧。

cumtbm02

安全系數太低了。對于仿真，有個不一定正確的想法，如果仿真結果不行，那就一定不能做，如果仿真結果可行，實際工況也不一定可行。因為在仿真建模的過程中，有太多的設置和實際工況不一致

fangyunsheng

非法用戶 發表于 2022-4-18 15:24
模型中左邊的倒角生成錯誤，實際零件是有倒角的，沒有干涉。
設計上槽的寬度為4（0，+0.1），支耳厚度4 ...

出現裂紋了，如果沒有完全消除應力，裂紋肯定會繼續增大，直到應力完全消失以后，尤其是脆性材料。
0.15mm的間隙看著好像不大，但是要看比例啊，受力點距離支撐點（斷裂點）的距離看圖應該不遠，按變形比例就應該不小了。如果有可能，中間塞片不銹鋼片或者銅皮試試，消除一些間隙。
另外檢查一下那個槽底部，是不是圓弧過渡，圖可以任意畫，但加工出來是不是這樣的就不好說了。

丹楓911

fangyunsheng 發表于 2022-4-19 08:13
出現裂紋了，如果沒有完全消除應力，裂紋肯定會繼續增大，直到應力完全消失以后，尤其是脆性材料。
0.15 ...

說的有道理，我們以前用磨具鋼做了一個淬火件，硬度HRC60,安裝時也是有個小間隙，裂開好幾個，后來加了個不銹鋼墊解決的。