金属材料的机械性质课件.pptx

1、金属材料金属材料的的机械性质机械性质I I 1 回复与再结晶 2 金属材料之破坏性质 3 金属材料之疲劳性质 4 金属材料之潜变及应力断裂铁达尼号：钢材的 S、P 量过高 造成热脆性及冷脆性！韧脆转换温度提高！纵向：32，横向：56！P肥粒铁MnS1 回复与再结晶(F6-1,6-2)冷加工金属退火发生的组织变化冷加工金属退火发生的组织变化：回复 再结晶 晶粒成长 1.1 高度冷加工金属的组织：高度冷加工金属的组织：大量应变能以高密度差排或其他缺陷形式储存于金属内(F6-3)。组织为高密度差排及细胞状网络所组成。1.2 回复：回复：退火初期，差排互相抵消、滑移呈低能量状态，产生低角度之次晶粒。此

2、阶段之强度稍降而延展性略增，残留内应力则大幅下降！(F6-3,6-4)1.3 再结晶：再结晶：随着退火温度增加或时间增长，新晶粒在回复金属组织内成核、生长。此阶段之强硬度大幅下降而延展性大增！(F6-5,6-6)再结晶温度(Recrystallization)再结晶温度：Tr=(0.4 0.5)Tm影响再结晶的因素影响再结晶的因素：1.冷加工量：愈大，再结晶温度愈低2.加热温度：愈高，再结晶时间愈短3.晶粒尺寸：冷加工量愈大或再结晶温度愈低，再结晶之晶粒尺寸愈小4.化学成分：材料纯度愈高，再结晶温度愈低2 金属材料之破坏性质 2.1 延性破坏：大量塑性变形，裂纹传播速率较缓慢！(F6-9,10

3、,11)2.2 脆性破坏：沿着特定结晶平面(劈裂面)进行，裂纹传播快速！(F6-13)2.3 韧性与冲击试验 2.4 破坏韧性延性破坏的三阶段(F6-10)1.试片开始颈缩，并在颈缩区域出现微空穴。2.微空穴在中心聚集形成微裂纹，并在垂直于应力方向往表面延伸。3.裂纹接近表面再以45度(最大剪应力)方向传播，而呈杯锥状破断。破断特征：破断特征：厚材：产生颈缩呈杯锥状破断面，内部韧窝表面成圆状或等轴状，外侧剪唇区之韧窝则呈椭圆长形，与外力成45度。薄材：破断面与外力成45度剪切面，韧窝则呈伸长状而非，等轴状。图 10 形成杯锥形延性破坏的步骤。(数据源：Dieter,“Mechanical Me

4、tallurgy,”2d ed.,McGraw-Hill,1976,p.278)脆性破坏脆性破坏：在很少的塑性变形下，沿着特定结晶平面(劈裂面)破裂，呈穿经破裂或沿着晶界的脆性相之粒间破坏！(F6-13)三个阶段：1.差排滑移集中于障碍处2.差排受阻挡处之剪应力增大，导致微裂纹成核3.更大的剪应力使得裂纹快速传播！典型的冲击脆性破坏：雪弗龙图型(Chevron pattern)此破坏是尤裂纹起点以放射状向各方发散，最常发生在受冲击负荷时所造成之脆性破坏！沃斯田铁型不锈钢破坏韧性(fracture toughness)金属破坏起源于应力集中之最高处，裂纹尖端处之应力强度则取决于所施的应力与裂纹长

5、度，而以应力强度因子 KI 表示。应力强度因子 KI(1)引起破坏之KI临界值破坏韧性 KIC (2)KI=应力强度因子=外加的垂直应力a=边缘裂纹长度或内部裂纹长度的一半Y=无因次几何修正常数 式中 f=破坏应力，当外加的应力max大于材料的f，则裂纹传播！KIC 越大，则使裂纹成长所需的临界应力f 也愈大！图18 使用密合型式试件与平面应变条件的破裂韧性测试。(a)试片尺寸样图，(b)临界应力导致破坏的实际测试，使用雷射束测量应力值。(数据源：White Shell Research)试片厚度 B 2.5(KIC/y)2 时，即满足平面应变条件！破坏时，塑性变形小的材料 KIC值较低，倾向

6、于脆性破坏！破坏时，塑性变形大的材料 KIC值较高，倾向于延性破坏！图 23 2014-T6铝合金及1047中碳钢的应力与疲劳破坏循环周期曲线图。(数据源：H.W.Hayden,W.G.Moffatt,and J.Wulff,“The Structure and Properties of Materials,”vol.III,Wiley,1965,p.15)疲劳强度：钢铁 SN 曲线的水平区 约为抗拉强度的 0.4 0.5 倍 非铁合金 108次所获得的应力 约为抗拉强度的 1/3 1/4图 25 滑动带突出与凹入的形成机构。(数据源：A.H.Cottrell and D.Hull,Proc

7、.R.Soc.London,242A:211-216（1957)延性金属之疲劳过程的结构变化：1.裂纹起始：疲劳断裂之初期2.滑移带裂纹成长：由于反复应力导致滑移带的突起、凹入，造成裂纹于表面 或接近处产生，并沿着高剪应力平面往内部传播。称为疲劳裂纹成长之第一 阶段。3.高拉伸应力平面之裂纹成长：此阶段裂纹明显以较快速率传播，穿过试片前 进，留下疲劳条纹。4.最终延性破裂：剩余截面无法承受负荷，瞬间以延性模式破断。影响疲劳强度的重要因素 应力集中：缺口、孔洞、键槽、断面尖角变化等，造成应力集中，降低疲劳强度。表面粗糙度：表面粗糙造成应力集中，促使裂纹成长，降低疲劳强度。表面处理：表面硬化处理（

8、渗碳、氮化等）增加疲劳强度，而脱碳则降低疲劳强度。温度效应：温度增加，疲劳强度降低。环境因子：在腐蚀气氛下(化学侵蚀加速裂纹传播速率)，疲劳强度降低。增加耐疲劳强度的方法 表面高度抛光：使表面缺陷尽量减小、变少。表面硬化：渗碳、氮化等处理增加疲劳强度 珠击法：利用高速撞击表面，使表面产生残留压应力。选择材料：利用添加合金元素等，增加材料强硬度。4 金属材料之潜变及应力断裂 4.1 金属的潜变 4.2 潜变试验 4.3 潜变断裂试验 潜变：材料在受到固定负荷下，随着时间而发生渐进式的塑性变形。通常发生在高温(T Tr，1/2 Tm)，例如喷射引擎之气涡轮叶片等。理想的潜变曲线(F6-27)初期潜变：因为应变硬化，潜变速率随时间增加而下降。稳态(中期)潜变：应变硬化效应被差排之回复过程所抵消，其潜变速率维持固定。d/dt=常数 末期潜变：此时试片产生颈缩，内部沿着晶界形成为孔洞结合，导致潜变速率随时间快速增加，直到破坏。图 27 典型金属之潜变曲线。图中曲线表示金属材料于固定温度、固定载荷的时间和应变行为。注意到第二期潜变（线性潜变）是设计工程师对大量潜变发生最感兴趣的。