工程材料與熱處理 課件 3金屬材料韌性、疲勞強(qiáng)度研究

金屬材料韌性、疲勞強(qiáng)度探究目錄斷裂韌性01沖擊韌性02疲勞強(qiáng)度03疲勞斷裂特點0405提高疲勞強(qiáng)度措施06匯報展示準(zhǔn)備01斷裂韌性定義斷裂韌性是材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，反映了材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)，與裂紋的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無關(guān)。測定方法斷裂韌性的測定采用《GB/T38769-2020》標(biāo)準(zhǔn)，通過儀器化沖擊試驗機(jī)對疲勞預(yù)制裂紋的夏比試樣實施沖擊試驗，利用斷裂力學(xué)的方法評價材料的斷裂韌性。反映了材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。影響因素材料熱處理工藝材料的熱處理工藝直接影響其微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度。通過控制加熱、保溫和冷卻過程，可以優(yōu)化材料的機(jī)械性能，提高其抗斷裂能力。零件表面質(zhì)量零件的表面質(zhì)量對其疲勞強(qiáng)度有顯著影響。表面粗糙度、缺口和裂紋等缺陷會降低材料的疲勞壽命，因此改善表面處理工藝是提高疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵措施之一。應(yīng)力集中效應(yīng)應(yīng)力集中是導(dǎo)致疲勞斷裂的重要因素。設(shè)計時應(yīng)避免尖銳轉(zhuǎn)角和截面突變，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。02沖擊韌性定義沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力，通過擺錘沖擊試驗測定，沖擊吸收功越大，材料的韌性越強(qiáng)。沖擊韌性的測定依據(jù)《GB/T229-2020》，通過一次擺錘沖擊試驗來測定材料抵抗沖擊載荷的能力，擺錘沖斷試樣時失去的能量即為沖擊吸收功K。測定方法沖擊試驗原理

沖擊試驗機(jī)

沖擊吸收功計算擺錘沖擊試驗原理擺錘沖擊試驗通過將具有一定質(zhì)量的擺錘舉至一定高度，使其獲得勢能后釋放，利用擺錘下落時對試樣的沖擊來測定材料抵抗沖擊載荷的能力。沖擊吸收功計算公式?jīng)_擊吸收功K是通過擺錘沖斷試樣前后的高度差計算得出，公式為K=mg(H1-H2)，其中m是擺錘質(zhì)量，g是重力加速度，H1和H2分別是擺錘起始和終止高度。沖擊韌度值指標(biāo)ak的意義沖擊韌度值指標(biāo)ak是通過將沖擊吸收功K除以試樣缺口處的截面積S得到的，單位為kJ/m2，用于評估材料在受到?jīng)_擊載荷時的韌性表現(xiàn)。03疲勞強(qiáng)度疲勞現(xiàn)象及其特點金屬材料在交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力下會發(fā)生疲勞斷裂，疲勞斷裂具有低應(yīng)力循環(huán)延時、脆性斷裂和對缺陷敏感等特點。金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時，往往在工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞（現(xiàn)象）。疲勞斷裂是金屬零件或構(gòu)件在交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。裂紋源的形成疲勞斷裂的起始點通常位于零件的應(yīng)力集中區(qū)域，這些區(qū)域由于材料缺陷或設(shè)計不當(dāng)而成為微裂紋的發(fā)源地。隨著循環(huán)應(yīng)力的作用，這些微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致零件失效。在循環(huán)應(yīng)力的持續(xù)作用下，初始裂紋會經(jīng)歷一個緩慢而穩(wěn)定的擴(kuò)展階段，這一階段占據(jù)了疲勞壽命的大部分。裂紋的擴(kuò)展速率受多種因素影響，包括材料的韌性和應(yīng)力水平。斷裂區(qū)的最終形成當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時，剩余的材料無法承受進(jìn)一步的應(yīng)力，導(dǎo)致突然的斷裂。這一階段的斷裂通常是瞬時的，且伴隨著較大的能量釋放，標(biāo)志著零件的完全失效。裂紋的擴(kuò)展過程疲勞強(qiáng)度也叫疲勞極限，是金屬材料在規(guī)定循環(huán)周次下未發(fā)生失效的最大應(yīng)力范圍，通常對應(yīng)于107或108次循環(huán)。疲勞強(qiáng)度定義注意：金屬材料的分類金屬材料根據(jù)其性質(zhì)和用途可以分為黑色金屬和有色金屬兩大類，黑色金屬主要包括鐵、鋼等，而有色金屬則包括銅、鋁等，每種材料都有其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性。材料的韌性與脆性材料的韌性是指材料在受到外力作用時能夠吸收能量而不發(fā)生斷裂的能力，而脆性則是材料在受到?jīng)_擊或拉伸時容易發(fā)生斷裂的性質(zhì)，這兩種性質(zhì)決定了材料的應(yīng)用范圍。疲勞強(qiáng)度的重要性疲勞強(qiáng)度是衡量材料在反復(fù)應(yīng)力作用下抵抗疲勞破壞的能力，對于承受周期性載荷的機(jī)械零件來說，高疲勞強(qiáng)度意味著更長的使用壽命和更高的安全性。01020304疲勞斷裂特點低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂01疲勞斷裂的低應(yīng)力特性疲勞斷裂通常發(fā)生在遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力水平下，這種低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂的特性使得疲勞成為工程中難以預(yù)測和防范的一種破壞形式。壽命與應(yīng)力的關(guān)系金屬材料的疲勞壽命與其承受的循環(huán)應(yīng)力大小密切相關(guān)，應(yīng)力越高，疲勞壽命越短；反之，應(yīng)力越低，疲勞壽命則相應(yīng)增長，甚至可能達(dá)到無限長。疲勞斷裂的潛在危險性由于疲勞斷裂前無明顯的塑性變形預(yù)兆，且斷口特征明顯，顯示出裂紋的發(fā)生、發(fā)展和最后斷裂三個階段，因此疲勞被認(rèn)為是一種潛在的突發(fā)性斷裂，具有極大的危險性。0203對缺陷敏感缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)是指材料中存在的缺口或裂紋會因為應(yīng)力集中而顯著增加疲勞損傷的風(fēng)險，這種局部的應(yīng)力集中可以加速疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。組織缺陷的影響組織缺陷如夾雜、疏松等內(nèi)部不連續(xù)性，會降低材料的局部強(qiáng)度，使得這些區(qū)域成為疲勞裂紋優(yōu)先形成和發(fā)展的位置，從而影響整體的疲勞壽命。表面質(zhì)量與疲勞強(qiáng)度零件的表面質(zhì)量直接影響其疲勞強(qiáng)度，表面粗糙或有劃痕會增加應(yīng)力集中的可能性，通過改善表面處理工藝，如拋光或涂層，可有效提高疲勞抗力。01020305提高疲勞強(qiáng)度措施結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化避免應(yīng)力集中設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過優(yōu)化零件的形狀和尺寸，減少或消除尖銳角度和突變截面，可以有效避免應(yīng)力集中，從而提高材料的疲勞強(qiáng)度。表面質(zhì)量改善策略提高零件的表面光潔度和完整性，如采用拋光、噴丸等方法，可以減少表面缺陷和缺口效應(yīng)，顯著提升材料的抗疲勞性能。表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用利用滲碳、氮化等表面處理技術(shù)，改變零件表層的物理化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)其耐磨性和抗腐蝕性，從而延長零件的使用壽命并提高疲勞強(qiáng)度。表面質(zhì)量改善表面粗糙度降低通過采用高精度的加工技術(shù)，如磨削、拋光等，可以顯著降低零件的表面粗糙度，從而減少應(yīng)力集中，提高材料的疲勞強(qiáng)度。表面缺陷修復(fù)對于已經(jīng)存在的表面缺陷，如裂紋、劃痕等，可以通過焊接、打磨等方式進(jìn)行修復(fù)，以消除潛在的疲勞源，延長零件的使用壽命。表面強(qiáng)化處理通過滲碳、氮化等表面化學(xué)熱處理方法，可以在零件表面形成一層硬而脆的化合物層，從而提高表面的硬度和耐磨性，增強(qiáng)其抵抗疲勞的能力。表面處理與強(qiáng)化工藝表面處理技術(shù)強(qiáng)化工藝如噴丸、滾壓和激光硬化等，通過在材料表面引入殘余應(yīng)力或改變微觀結(jié)構(gòu)，顯著提升材料的抗疲勞性能和使用壽命。強(qiáng)化工藝應(yīng)用表面改性技術(shù)利用先進(jìn)的物