屈服失效、断裂失效、疲劳失效介绍
失效是指材料、结构或系统在外部作用下（如应力、温度、化学腐蚀等）无法继续履行其设计功能的现象。在工程和材料科学中，失效通常意味着材料的破坏、性能严重下降或结构功能的丧失。失效可能导致材料或结构产生永久变形、裂纹、断裂，甚至是彻底崩溃。
常见失效形式
失效不一定意味着物理上的断裂或彻底损坏，而是指系统在某种程度上不再满足设计要求。失效可以包括永久变形、性能下降、超出允许的疲劳极限等现象。本文介绍常见的失效形式：屈服失效、断裂失效、疲劳失效。
屈服失效
定义
屈服失效发生在材料承受的荷载超过其屈服强度时，材料进入塑性阶段，发生显著的永久变形，导致结构无法恢复原状。
机理
屈服失效的机理是材料的屈服强度被超过，导致微观结构的滑移、晶格的滑动等现象，进而引起宏观的塑性变形。
钢材和铝材等金属材料的屈服失效比较常见，而混凝土通常不会发生显著的屈服，而是破裂。
强度理论
判断复杂应力状态下（多向受力）材料是否开始屈服的理论准则。
【1】畸变能密度理论
畸变能密度理论也称冯·米塞斯应力准则(Von Mises Stress Criterion），当构件中某点的畸变能密度（形状改变比能）达到材料单向拉伸屈服时的畸变能密度值时，该点开始屈服。
此理论更符合大多数韧性材料的实验结果，应用最广泛。
Von Mises准则基于形变能理论，它假设材料的屈服不是由总应力的大小决定，而是由材料内的剪切变形能积累到某一临界值（单向拉伸时的极限值）时发生。形变能可以看作是材料在变形过程中所储存的能量。
三维应力状态：
σv：等效应力
σ1、σ2、σ3：是材料在某点处的主应力
【2】最大剪应力理论
Tresca Stress Criterion也称为最大剪切应力准则，是一种经典的屈服准则，用于预测材料在受力时何时会发生屈服。它主要用于分析延性金属材料的塑性行为，特别是在剪应力主导的应力状态下。
和是材料在某点处的最大和最小主应力。
Tresca准则基于最大剪切应力理论，认为材料的屈服发生在最大剪应力达到材料的屈服剪应力（也称为极限剪应力）时。具体来说，该准则假设材料的屈服是由于材料内部的剪切滑移引起的。因此，无论在什么应力条件下，当材料中某处的剪应力超过材料的剪切屈服强度（单向拉伸时的极限值）时，材料便会开始屈服。
断裂失效
定义
当材料内部产生裂纹并逐渐扩展，当材料的极限强度被超过时，最终导致材料的分离或断裂。
类型
断裂失效可以分为脆性断裂和韧性断裂。
脆性断裂：断裂时几乎无塑性变形，脆性材料无显著塑性变形即突然断裂，断口平齐；如铸铁、陶瓷断裂。
韧性断裂：断裂前有较大的塑性变形，韧性材料经历颈缩后断裂，断口呈杯锥状；如铝合金失效。
强度理论
工程上常用的断裂准则主要有最大拉应力准则和最大伸长线应变准则，即第一和第二强度准则。
【1】最大拉应力准则
当材料的最大主应力达到或超过材料的抗拉强度时，材料将发生断裂。这一准则假设材料的破坏是由拉伸应力引起的。该准则认为，无论材料处于什么应力状态，发生脆性断裂的原因是断裂点的最大拉应力达到了在单向拉伸的极限值。
σmax：最大主应力
σb：材料的抗拉强度
适用于脆性材料，如陶瓷、玻璃、铸铁等，这类材料在拉伸应力作用下容易断裂。该准则没有考虑另外两个主应力的影响，且不能应用于无拉应力的应力状态。
【2】最大伸长线应变准则
当材料的最大主应变达到某一临界值时，材料发生断裂。这一准则特别关注材料在变形时的失效行为。该准则认为，无论材料处于什么应力状态，发生脆性断裂的原因是断裂点的 最大伸长线应变达到了在单向拉伸时的极限值。
σ1：最大主应力，
σ2：第二大主应力
σ3：第三大主应力
ν：材料的泊松比
σb：材料的抗拉强度
最大伸长线应变准则适用于一些对应变敏感，应变主导的条件下发生失效的材料，尤其是脆性材料，如花岗岩、混凝土等，又如酚醛树脂、热固性树脂等脆性聚合物。
【3】 Johnson-Cook断裂准则
Johnson-Cook断裂准则（Johnson-Cook Fracture Criterion）是一种用于描述材料在大变形、高应变速率和高温条件下的损伤积累和断裂行为的经验模型。
该准则与Johnson-Cook本构模型密切相关，通常用于描述金属材料在动态冲击、爆炸和穿透等极端条件下的断裂。
其中，A、B、C和n是输入常数；
是有效塑性应变；
是有效应变率，
该准则综合考虑了应力三轴度、应变速率和温度对失效应变的影响。核心是一个基于塑性应变和应力三轴度的失效应变公式。
疲劳失效
疲劳失效发生在材料长时间承受反复的循环载荷时。即使应力水平低于材料的屈服强度，反复的应力变化会导致微小裂纹的萌生和扩展，最终导致断裂。疲劳失效通常出现在机械零件或桥梁等承受周期性载荷的结构中。
【1】疲劳失效阶段
疲劳失效的发生过程可以分为三个阶段，经过三阶段后最终疲劳失效。
第一阶段：裂纹萌生阶段
在材料表面或内部应力集中区域，微小的缺陷、孔洞、夹杂物或材料的异质性会导致局部应力集中。在反复加载的作用下，这些区域逐渐积累塑性变形，最终形成初始裂纹。
第二阶段：裂纹扩展阶段
一旦裂纹形成，随后的每一个载荷循环都会导致裂纹的进一步扩展。裂纹扩展的速率取决于材料的韧性、循环应力幅值以及环境因素。疲劳裂纹扩展的特征是每个循环引发的裂纹扩展长度非常小，但累积效应会导致裂纹逐渐扩展至危险长度。
第三阶段：最终失效阶段
当裂纹扩展到某一临界尺寸时，剩余的未损伤截面无法承受外部载荷，导致材料的突然断裂或失效。这种断裂通常发生在一个加载周期内，因此常被视为突发性的。
【2】疲劳失效类型
疲劳失效通常分为两大类：应力疲劳和应变疲劳。这两种类型的疲劳失效主要根据其失效机制和条件来区分。
应力疲劳（Stress Fatigue）
应力疲劳也称为高周疲劳，是指在较低的应力水平下，经历长时间的循环加载后发生的疲劳失效。这种类型的疲劳通常发生在循环周次非常多的情况下，例如在数万次以上的加载周期。应力疲劳的主要特点是应力水平较低，但循环次数多，因此材料的疲劳寿命通常较长。在设计中，应力疲劳通常用许用应力值来控制。
应变疲劳（Strain Fatigue）
应变疲劳，也称为低周疲劳，是在较高的应力水平下，循环次数较少的情况下发生的疲劳失效。这种类型的疲劳发生在如压力容器和汽轮机零件等高应力区体积较大的部件中。应变疲劳的特点是应力水平较高，循环次数较少，导致材料的疲劳寿命相对较短。在实际应用中，应变疲劳通常用许用应变值来控制。
【3】应力疲劳和应变疲劳对比
应力疲劳和应变疲劳的主要区别在于应力水平和循环次数。应力疲劳发生在较低的应力水平下和较长的周期，而应变疲劳则发生在较高的应力水平和较短的周期。理解这两种疲劳失效机制对于正确设计和选择材料，以及预测产品的使用寿命至关重要。
