金屬材料的機(jī)械性質(zhì)課件

金屬材料的機(jī)械性質(zhì)I

1回復(fù)與再結(jié)晶2金屬材料之破壞性質(zhì)3金屬材料之疲勞性質(zhì)4金屬材料之潛變及應(yīng)力斷裂

鐵達(dá)尼號(hào)：鋼材的S、P量過高－＞造成熱脆性及冷脆性?。卷g脆轉(zhuǎn)換溫度提高！縱向：32℃，橫向：56℃！P肥粒鐵MnS1

回復(fù)與再結(jié)晶(F6-1,6-2)冷加工金屬退火發(fā)生的組織變化：回復(fù)－－＞再結(jié)晶－－＞晶粒成長(zhǎng)1.1

高度冷加工金屬的組織：大量應(yīng)變能以高密度差排或其他缺陷形式儲(chǔ)存于金屬內(nèi)(F6-3)。組織為高密度差排及細(xì)胞狀網(wǎng)絡(luò)所組成。1.2

回復(fù)：退火初期，差排互相抵消、滑移呈低能量狀態(tài)，產(chǎn)生低角度之次晶粒。此階段之強(qiáng)度稍降而延展性略增，殘留內(nèi)應(yīng)力則大幅下降！(F6-3,6-4)1.3

再結(jié)晶：隨著退火溫度增加或時(shí)間增長(zhǎng)，新晶粒在回復(fù)金屬組織內(nèi)成核、生長(zhǎng)。此階段之強(qiáng)硬度大幅下降而延展性大增！(F6-5,6-6)再結(jié)晶溫度(Recrystallization)再結(jié)晶溫度：Tr=(0.4~0.5)Tm影響再結(jié)晶的因素：冷加工量：愈大，再結(jié)晶溫度愈低加熱溫度：愈高，再結(jié)晶時(shí)間愈短晶粒尺寸：冷加工量愈大或再結(jié)晶溫度愈低，再結(jié)晶之晶粒尺寸愈小化學(xué)成分：材料純度愈高，再結(jié)晶溫度愈低2

金屬材料之破壞性質(zhì)2.1

延性破壞：大量塑性變形，裂紋傳播速率較緩慢！(F6-9,10,11)2.2

脆性破壞：沿著特定結(jié)晶平面(劈裂面)進(jìn)行，裂紋傳播快速！(F6-13)2.3

韌性與沖擊試驗(yàn)2.4

破壞韌性延性破壞的三階段(F6-10)試片開始頸縮，并在頸縮區(qū)域出現(xiàn)微空穴。微空穴在中心聚集形成微裂紋，并在垂直于應(yīng)力方向往表面延伸。裂紋接近表面再以45度(最大剪應(yīng)力)方向傳播，而呈杯錐狀破斷。破斷特征：

厚材：產(chǎn)生頸縮呈杯錐狀破斷面，內(nèi)部韌窩表面成圓狀或等軸狀，外側(cè)剪唇區(qū)之韌窩則呈橢圓長(zhǎng)形，與外力成45度。

薄材：破斷面與外力成45度剪切面，韌窩則呈伸長(zhǎng)狀而非，等軸狀。圖10形成杯錐形延性破壞的步驟。(數(shù)據(jù)源：Dieter,“MechanicalMetallurgy,”2ded.,McGraw-Hill,1976,p.278)脆性破壞脆性破壞：在很少的塑性變形下，沿著特定結(jié)晶平面(劈裂面)破裂，呈穿經(jīng)破裂或沿著晶界的脆性相之粒間破壞！(F6-13)三個(gè)階段：差排滑移集中于障礙處差排受阻擋處之剪應(yīng)力增大，導(dǎo)致微裂紋成核更大的剪應(yīng)力使得裂紋快速傳播！典型的沖擊脆性破壞：雪弗龍圖型(Chevronpattern)－＞此破壞是尤裂紋起點(diǎn)以放射狀向各方發(fā)散，最常發(fā)生在受沖擊負(fù)荷時(shí)所造成之脆性破壞！沃斯田鐵型不銹鋼破壞韌性(fracturetoughness)金屬破壞起源于應(yīng)力集中之最高處，裂紋尖端處之應(yīng)力強(qiáng)度則取決于所施的應(yīng)力與裂紋長(zhǎng)度，而以應(yīng)力強(qiáng)度因子KI

表示。應(yīng)力強(qiáng)度因子KI(1)引起破壞之KI臨界值破壞韌性KIC

(2)KI=應(yīng)力強(qiáng)度因子σ=外加的垂直應(yīng)力a=邊緣裂紋長(zhǎng)度或內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度的一半Y=無因次幾何修正常數(shù)式中σf=破壞應(yīng)力，當(dāng)外加的應(yīng)力σmax大于材料的σf，則裂紋傳播?。綤IC

越大，則使裂紋成長(zhǎng)所需的臨界應(yīng)力σf也愈大！圖18使用密合型式試件與平面應(yīng)變條件的破裂－韌性測(cè)試。(a)試片尺寸樣圖，(b)臨界應(yīng)力導(dǎo)致破壞的實(shí)際測(cè)試，使用雷射束測(cè)量應(yīng)力值。(數(shù)據(jù)源：WhiteShellResearch)試片厚度B＞2.5(KIC/σy)2時(shí)，即滿足平面應(yīng)變條件！破壞時(shí)，塑性變形小的材料KIC值較低，傾向于脆性破壞！破壞時(shí)，塑性變形大的材料KIC值較高，傾向于延性破壞！圖232014-T6鋁合金及1047中碳鋼的應(yīng)力與疲勞破壞循環(huán)周期曲線圖。(數(shù)據(jù)源：H.W.Hayden,W.G.Moffatt,andJ.Wulff,“TheStructureandPropertiesofMaterials,”vol.III,Wiley,1965,p.15)疲勞強(qiáng)度：鋼鐵＞S－N曲線的水平區(qū)－約為抗拉強(qiáng)度的0.4~0.5倍非鐵合金＞~10Λ8次所獲得的應(yīng)力－約為抗拉強(qiáng)度的1/3~1/4圖25滑動(dòng)帶突出與凹入的形成機(jī)構(gòu)。(數(shù)據(jù)源：A.H.CottrellandD.Hull,Proc.R.Soc.London,242A:211-216（1957)延性金屬之疲勞過程的結(jié)構(gòu)變化：裂紋起始：疲勞斷裂之初期滑移帶裂紋成長(zhǎng)：由于反復(fù)應(yīng)力導(dǎo)致滑移帶的突起、凹入，造成裂紋于表面或接近處產(chǎn)生，并沿著高剪應(yīng)力平面往內(nèi)部傳播。稱為疲勞裂紋成長(zhǎng)之第一階段。高拉伸應(yīng)力平面之裂紋成長(zhǎng)：此階段裂紋明顯以較快速率傳播，穿過試片前進(jìn)，留下疲勞條紋。4.最終延性破裂：剩余截面無法承受負(fù)荷，瞬間以延性模式破斷。影響疲勞強(qiáng)度的重要因素應(yīng)力集中：缺口、孔洞、鍵槽、斷面尖角變化等，造成應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。表面粗糙度：表面粗糙造成應(yīng)力集中，促使裂紋成長(zhǎng)，降低疲勞強(qiáng)度。表面處理：表面硬化處理（滲碳、氮化等）增加疲勞強(qiáng)度，而脫碳則降低疲勞強(qiáng)度。溫度效應(yīng)：溫度增加，疲勞強(qiáng)度降低。環(huán)境因子：在腐蝕氣氛下(化學(xué)侵蝕加速裂紋傳播速率)，疲勞強(qiáng)度降低。增加耐疲勞強(qiáng)度的方法表面高度拋光：使表面缺陷盡量減小、變少。表面硬化：滲碳、氮化等處理增加疲勞強(qiáng)度珠擊法：利用高速撞擊表面，使表面產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力。選擇材料：利用添加合金元素等，增加材料強(qiáng)硬度。4

金屬材料之潛變及應(yīng)力斷裂4.1

金屬的潛變4.2

潛變?cè)囼?yàn)4.3

潛變－斷裂試驗(yàn)潛變：材料在受到固定負(fù)荷下，隨著時(shí)間而發(fā)生漸進(jìn)式的塑性變形。通常發(fā)生在高溫(T＞Tr，1/2Tm)，例如噴射引擎之氣渦輪葉片等。理想的潛變曲線(F6-27)初期潛變：因?yàn)閼?yīng)變硬化，潛變速率隨時(shí)間增加而下降。穩(wěn)態(tài)(中期)潛變：應(yīng)變硬化效應(yīng)被差排之回復(fù)過程所抵消，其