斷裂破損的幻燈片.ppt

1、第八章 破損（failure） 破損機制 破斷（fracture）、疲勞（fatigue），潛變（creep）設(shè)計原理防止使用時破損 材料選用,破損：危及人身安全，造成經(jīng)濟損失，產(chǎn)品與服務(wù)中斷 了解原因，保證使用時不破損困難 不當(dāng)材料選用、製程，不足組件（component）設(shè)計或誤用 預(yù)期及決定可能發(fā)生破損的對策 破損分析（failure analysis） ：了解原因，採取措施防止未來意外發(fā)生,單純破損 破斷力學(xué)（fracture mechanics）原理 衝擊破斷測試 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)力增加抗拒進一步擴張 破斷表面可觀塑性變形證據(jù) 脆性破斷：裂縫快速散佈，幾乎無塑性變形 不穩(wěn)定：在應(yīng)力不增加情況下迅速自動擴張,延性破斷：警示，需要能量較大 脆性破斷：突然而危險 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形如袖章般標誌指向裂縫起始位置 自裂縫起始位置隆脊狀線條扇形輻射,高硬度與細晶金屬，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 破斷機制 量化材料性質(zhì)、應(yīng)力、裂縫導(dǎo)致瑕疵、裂縫傳播機制關(guān)係 預(yù)期與防止破損,應(yīng)力集中 破斷強度為原子間凝聚力函數(shù) 脆性材料理論凝聚力強度 E/10 實驗破斷強度：10-1 to 10-3理論強度 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 負荷方式：拉伸，滑移，撕裂（tearing K：應(yīng)力強度因子,破斷軔性 衝擊破斷測試 拉伸測試結(jié)果不能用來預(yù)測破斷行為 某些情況下延性材料突然斷裂 Y(a/W) = W/(a) tan(a)/W

6、1/2,衝擊測試技巧 Charpy V-notch（CVN） Izod,延性至脆性轉(zhuǎn)變 衝擊測試決定是否有隨溫度而有延性至脆性轉(zhuǎn)變 溫度範圍 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 動態(tài)與變動應(yīng)力 橋樑、飛機、機械零件 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% 拉伸強度 非鐵合金（Al，Cu，Mg） 無疲勞極限,疲勞強度：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：表面準備，冶金變數(shù)，測試設(shè)備中試片對準，平均應(yīng)力，測試頻率,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 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)測疲勞壽命準則 高週期疲勞（ 104-105） 疲勞壽命與裂縫成長速率,裂縫長度與週期數(shù)目 da/dN = A (K)m K：應(yīng)力強度因子 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，高壓蒸汽管線 0.4 Tm,一般潛變行為 典型潛變測試：恆溫、一定負荷 瞬間變形：主要為彈性變形 主要（primary）或暫時（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，時間最長，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)力方向通常無關(guān) 長期應(yīng)用（如核能電廠） 最小或穩(wěn)定態(tài)潛變速率 短壽命情況（軍機渦輪片，火箭筆嘴） 至破裂時間tr 潛變破裂測試,應(yīng)力與溫度效應(yīng) T 0.4Tm，初期變形後，應(yīng)變幾與時間無關(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，至破裂時間減少,穩(wěn)定態(tài)潛變速