斷裂破損的幻燈片.ppt

1、第八章 破損（failure） 破損機(jī)制 破斷（fracture）、疲勞（fatigue），潛變（creep）設(shè)計(jì)原理防止使用時(shí)破損 材料選用,破損：危及人身安全，造成經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)品與服務(wù)中斷 了解原因，保證使用時(shí)不破損困難 不當(dāng)材料選用、製程，不足組件（component）設(shè)計(jì)或誤用 預(yù)期及決定可能發(fā)生破損的對(duì)策 破損分析（failure analysis） ：了解原因，採(cǎi)取措施防止未來(lái)意外發(fā)生,單純破損 破斷力學(xué)（fracture mechanics）原理 衝擊破斷測(cè)試 延性至脆性轉(zhuǎn)換（ductile to brittle transition） 疲勞，潛變,破斷 低溫、低應(yīng)變速率下物體分

2、成兩個(gè)以上部分 延性與脆性破斷 延性破斷：相當(dāng)塑性變形、高吸收能 脆性破斷：幾乎無(wú)塑性變形、低吸收能,延性：EL或RA 與溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān) 裂縫（crack）起始與傳播（propagation）,延性破斷：裂縫附近廣泛的塑性變形、慢速變化 穩(wěn)定而除非應(yīng)力增加抗拒進(jìn)一步擴(kuò)張 破斷表面可觀塑性變形證據(jù) 脆性破斷：裂縫快速散佈，幾乎無(wú)塑性變形 不穩(wěn)定：在應(yīng)力不增加情況下迅速自動(dòng)擴(kuò)張,延性破斷：警示，需要能量較大 脆性破斷：突然而危險(xiǎn) 張力下：金屬延性，陶瓷脆性，高分子兩者皆有,延性破斷 宏觀與微觀特色 極端柔軟材料：Au，Pb（RT） 一般，杯錐（cup-and-cone）破斷：頸縮，小

3、孔穴（cavity）、微小空孔（microvoid）長(zhǎng)大合併成橢圓形裂縫，裂縫在縮頸外圍迅速傳播，約沿與拉伸軸成450由剪切應(yīng)力導(dǎo)致破斷。斷面中央不規(guī)則而顯現(xiàn)纖維狀,掃描式電子顯微鏡破斷研究（fractographic study） 球形軔窩（dimple）：微小空孔一半 450剪切應(yīng)力破斷面：伸長(zhǎng)軔窩，C形，拋物線形 破斷方式（mode），應(yīng)力狀態(tài)，裂縫起始（initiation）位置,脆性破斷 較平坦斷面，破斷面與拉伸應(yīng)力方向幾乎垂直 一連串V形如袖章般標(biāo)誌指向裂縫起始位置 自裂縫起始位置隆脊?fàn)罹€條扇形輻射,高硬度與細(xì)晶金屬，非晶材料：光滑面 劈裂（cleavage） 穿晶（transgr

4、anular，transcrystalline） 沿晶（intergranular）：三度空間晶粒,破斷力學(xué)原理 破斷機(jī)制 量化材料性質(zhì)、應(yīng)力、裂縫導(dǎo)致瑕疵、裂縫傳播機(jī)制關(guān)係 預(yù)期與防止破損,應(yīng)力集中 破斷強(qiáng)度為原子間凝聚力函數(shù) 脆性材料理論凝聚力強(qiáng)度 E/10 實(shí)驗(yàn)破斷強(qiáng)度：10-1 to 10-3理論強(qiáng)度 1920s，Griffith：小瑕疵 應(yīng)力量變曲線 放大：應(yīng)力提升者（raiser）,橢圓形而垂直於應(yīng)力方向 m：裂縫尖端最大應(yīng)力 m = 0 1 + 2(a/t)1/2 a：裂縫尺寸，t：曲率半徑，0：應(yīng)力,a t m = 2 0 (a/t)1/2 應(yīng)力集中因子 Kt =m /0 =

5、2 (a/t)1/2 大尺寸缺陷,Griffith脆性破斷理論 彈性應(yīng)變能釋放 表面能增加 裂縫傳播臨界應(yīng)力 c = (2E s/（a）)1/2 尖銳裂縫,同時(shí)有塑性變形 c = 2E( s + p )/ （a）1/2 高度延性材料 p s c = 2Ep /（a）1/2,gc = 2 ( s + p ) gc：臨界應(yīng)變能釋放率 c = E gc /（a）1/2 gc = (ac2)/E,破斷應(yīng)力分析 負(fù)荷方式：拉伸，滑移，撕裂（tearing K：應(yīng)力強(qiáng)度因子,破斷軔性 衝擊破斷測(cè)試 拉伸測(cè)試結(jié)果不能用來(lái)預(yù)測(cè)破斷行為 某些情況下延性材料突然斷裂 Y(a/W) = W/(a) tan(a)/W

6、1/2,衝擊測(cè)試技巧 Charpy V-notch（CVN） Izod,延性至脆性轉(zhuǎn)變 衝擊測(cè)試決定是否有隨溫度而有延性至脆性轉(zhuǎn)變 溫度範(fàn)圍 破斷表面：破斷性質(zhì),CVN數(shù)值（20 J，15 ft-lb） 50%纖維狀表面 100%纖維狀表面 FCC晶體（Al, Cu基合金）：極低溫仍然延性 BCC，HCP,疲勞 動(dòng)態(tài)與變動(dòng)應(yīng)力 橋樑、飛機(jī)、機(jī)械零件 反覆應(yīng)力循環(huán) 金屬破損最主要原因（90%） 陶瓷、高分子 災(zāi)難、不知不覺間加劇的、突然,週期應(yīng)力 應(yīng)力負(fù)荷方式：軸向張壓力，彎曲（flexural，bending），扭力 三種方式： 規(guī)則正弦式，反向（reversed）應(yīng)力週期 重複（repeat

7、ed）應(yīng)力週期 不規(guī)則的（random）應(yīng)力週期,平均應(yīng)力 m = （max + min）/2 應(yīng)力範(fàn)圍 r = max - min 應(yīng)力振幅 a = r/2 =（max - min）/2 應(yīng)力比 R = min / max,S-N曲線 應(yīng)力振幅 a（min 或 max） N：至破損週期數(shù)目 Fe 、Ti合金 疲勞極限，耐久（endurance）極限 鋼鐵：35-60% 拉伸強(qiáng)度 非鐵合金（Al，Cu，Mg） 無(wú)疲勞極限,疲勞強(qiáng)度：特定週期數(shù)目（如107）破損應(yīng)力 疲勞壽命Nf：特定應(yīng)力下產(chǎn)生破損週期數(shù)目 疲勞破損或然率：表面準(zhǔn)備，冶金變數(shù)，測(cè)試設(shè)備中試片對(duì)準(zhǔn)，平均應(yīng)力，測(cè)試頻率,特定破損或然

8、率曲線 低週期破損（ 104-105）,裂縫起始與傳播 裂縫起始、傳播、破損 Nf = Ni + Np 低週期破損：Np Ni,裂縫起始：應(yīng)力集中點(diǎn) 裂縫傳播： 第一階段：緩慢，破損面平滑 第二階段：迅速，傳播方向垂直於應(yīng)力，應(yīng)力週期，裂縫傳播一凹痕距離,海灘（宏觀）狀痕跡：間歇性應(yīng)力 條紋（微觀）狀痕跡：各週期,裂縫傳播速率 預(yù)測(cè)疲勞壽命準(zhǔn)則 高週期疲勞（ 104-105） 疲勞壽命與裂縫成長(zhǎng)速率,裂縫長(zhǎng)度與週期數(shù)目 da/dN = A (K)m K：應(yīng)力強(qiáng)度因子 A，m：與材料、環(huán)境、頻率、應(yīng)力比，M1-6 K = Kmax-Kmin Log (da/dN) = logA + m log

9、(K) dN = da/A (K)m ,疲勞壽命 平均應(yīng)力：S-N曲線 表面效應(yīng)：設(shè)計(jì)因素，表面處理（珠擊），表面硬化 環(huán)境效應(yīng)：熱疲勞，腐蝕疲勞,潛變 高溫靜態(tài)應(yīng)力 渦輪轉(zhuǎn)子：噴射引擎與蒸汽發(fā)電機(jī)，高壓蒸汽管線 0.4 Tm,一般潛變行為 典型潛變測(cè)試：恆溫、一定負(fù)荷 瞬間變形：主要為彈性變形 主要（primary）或暫時(shí)（transient）潛變：潛變速率逐漸降低（應(yīng)變硬化） 二次（secondary）潛變（穩(wěn)定態(tài)潛變）：線性，時(shí)間最長(zhǎng)，應(yīng)變硬化與回復(fù)抵消 三次（tertiary）潛變：破裂，潛變速率逐漸增加,潛變與應(yīng)力方向通常無(wú)關(guān) 長(zhǎng)期應(yīng)用（如核能電廠） 最小或穩(wěn)定態(tài)潛變速率 短壽命情況（軍機(jī)渦輪片，火箭筆嘴） 至破裂時(shí)間tr 潛變破裂測(cè)試,應(yīng)力與溫度效應(yīng) T 0.4Tm，初期變形後，應(yīng)變幾與時(shí)間無(wú)關(guān) 如應(yīng)力或溫度增加：瞬間變形增加，穩(wěn)定態(tài)潛變速率增加，至破裂時(shí)間減少,穩(wěn)定態(tài)潛變速