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第一章弹性比功——材料吸收弹性变形功的能力滞弹性在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹性应变的现象滞弹性的影响因素
(1)材料的成分、组织材料组织越不均匀,滞弹性越明显
(2)试验条件a温度T↑→滞弹性速率和滞弹性应变↑b切应力愈大,滞弹性越明显消除办法采用长期回火回火的作用是使间隙原子到位错空位和晶界去,自身变得比较稳定金属的内耗加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属放出的变形功,因而有一部分变形功为金属所吸收,这部分吸收的功就称为金属的内耗循环韧性金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力,称为金属的循环韧性,也叫金属的内耗,表示材料吸收不可逆变形的能力,亦称消振性循环韧性的意义是材料循环韧性愈高,则机件依靠材料自身的消振能力愈好包申格(Bauschinger)效应金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余应变小于1-4%),而后再同向加载,规定残余伸长应力增加;反向加载,规定残余伸长应力降低的现象消除方法
(1)预先经受较大的塑性变形
(2)在第二次反向受力前使金属材料于回复或再结晶温度下退火金属材料常见的塑性变形方式主要为滑移和孪生屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形时的标志屈服点σs材料的在拉伸过程中试验力不增加(保持恒定)仍能继续伸长时的应力σs=Fs/A0上屈服点σsu试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力σsu=Fsu/A0下屈服点σsl当不计初始瞬时效应(指在屈服过程中试验力第一次发生下降)时的屈服阶段的最小应力σsl=FsL/A0影响屈服强度的因素
(一) 影响屈服强度的内因素1.金属本性和晶格类型(结合键、晶体结构)不同的金属其晶格类型,位错运动所受的阻力不同,故彼此的屈服强度不同,单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力,其值与位错运动所受到的阻力(晶格阻力--派拉力、位错运动交互作用产生的阻力)决定派拉力位错交互作用力(a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数,L是位错间距)2.晶粒大小和亚结构晶粒小→晶界多(阻碍位错运动)→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目,减小晶粒内位错塞积群的长度,使屈服强度降低(细晶强化)屈服强度与晶粒大小的关系霍尔-派奇(Hall-Petch3.溶质元素加入溶质原子→(间隙或置换型)固溶体→(溶质原子与溶剂原子半径不一样)产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度(固溶强化)4.第二相(弥散强化,沉淀强化)
1.第二相质点本身能否变形
2.第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量、分布以及第二相与基体的强度、塑性和应变硬化特性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关如a第二相均为硬脆相,沿晶界网状分布→沿晶界不连续网状分布→弥散均匀分布于基体脆性减小b片状珠光体比球状珠光体屈服强度高原因长形质点显著影响位错运动位错绕过第二相,按照这种方式,位错运动的阻力主要来自弯曲位错的线张力如果再考虑到质点大小的影响,则位错线的运动绕过阻力为由上式可知当r>b时,随着L↓→τ↑,即第二相质点数量越多,越分散,材料的屈服强度就越高随着绕过位错数量的增加,质点周围留下的位错越来越多,因而其相邻质点间距L便越来越小,弯曲位错所需的切应力就越来越高,表现为形变强化现象,这是两相合金形变强化的原因之一
(二) 影响屈服强度的外因素
1.温度一般的规律是温度升高,屈服强度降低原因派拉力属于短程力,对温度十分敏感
2.应变速率应变速率大,强度增加σεt=C1εm3.应力状态切应力分量越大,越有利于塑性变形,屈服强度越低缺口效应试样中“缺口”的存在,使得试样的应力状态发生变化,从而影响材料的力学性能的现象应变硬化——在金属整个变形过程中,当外力超过屈服强度之后,塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去,而需要不断增加外力才能继续进行这表明金属材料有一种阻止塑性变形的能力应变硬化指数在金属材料拉伸真应力-应变曲线上的均匀塑性变阶段,应力与应变之间符合Hollomon关系式S=keⁿn—应变硬化指数,金属材料抵抗继续塑性变形的能力,是表征金属材料应变硬化能力的性能指标k—硬化系数,真应变等于
1.0时的真实应力n=1材料为完全理想的弹性体,S与e成正比关系n=0s=k=常数,材料没有应变硬化能力应变硬化在生产实际中的意义*应变硬化可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力,保证安全*应变硬化是工程上强化材料的重要手段如18-8型不锈钢,变形前σ
0.2=196MPa,经40%冷轧后,σ
0.2=780~980MPa,屈服强度提高3~4倍*应变硬化性能可以保证某些冷成形工艺,如冷拔线材和深冲成形等顺利进行磨损、腐蚀和断裂是机件的三种失效形式断口三要素纤维区、放射区和剪切唇韧性断裂中、低强度钢光滑圆柱试样在室温的静拉伸断裂就是典型的韧性断裂,其宏观断口呈杯锥状脆性断裂断裂前基本上不发生塑性变形脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直,断口平齐而光亮,常呈放射状或结晶状韧断的特征a伴随塑性变形及能量吸收;b工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩;c断面一般平行于最大切应力并与主应力成45°脆断的特征a断裂时构件承载的工作应力并不高,通常不超过σs,故又称为低应力脆断b脆断总是从构件内部存在的宏观裂纹作为“源”开始的c中、低强度钢脆断常在低温下发生,而高强钢则不一定d断口平整光亮,有金属光泽,且与正应力垂直,断面上有人字或放射花纹解理裂纹的形成位错塞积理论的要点塑性变形→位错运动受阻→位错塞积→塞积头应力集中→如塞积头处最大拉应力σfmax≥理论断裂强度σm→产生裂纹解理断裂的微观断口特征1解理断裂解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样(人字型花样、二次裂纹解理断裂沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂晶体学平面--解理面,一般是低指数,表面能低的晶面微孔聚集断裂的微观特征微孔聚集的过程亦有两种形式,一种是相邻微孔成长至互相接触;另外是相距较大的微孔由于微孔之间的基体金属发生变形—颈缩而引起微孔的聚集韧窝的大小与深浅,决定于材料断裂时孔洞核心的数量、材料本身相对塑性和环境温度解理和准解理之间有联系共同点都是穿晶断裂;有小解理刻面;有台阶或撕裂棱及河流花样区别准解理小刻面不是晶体学解理面;真正的解理裂纹常源于晶界,而准解理裂纹则常源于晶内硬质点,形成从晶内某点发源的放射状河流花样EG弹性模量σb抗拉强度σs屈服强度σr规定残余伸长应力σt规定总伸长应力σ
0.2拉服强度n—应变硬化指数第二章弯曲试验的特点金属杆状试样承受弯矩作用后,其内部应力主要为正应力但杆截面上的应力分布不均匀,表面最大,中心为零,且应力方向发生变化1) 弯曲试验的试样形状简单,操作方便常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别2) 弯曲试验时可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性3) 弯曲试验时,试样的表面应力最大,可较灵敏地反映材料的表面缺陷常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能试样在弹性范围内弯曲时,受拉侧表面的最大弯曲应力M-最大弯矩三点弯曲M=FLS/4四点弯曲M=Fl/2W-试样的抗弯截面系数圆形试样矩形试样缺口效应1引起应力集中,并改变缺口前方的应力状态对于脆性或低塑性材料,使其抗拉强度降低缺口效应2使塑性材料强度增高,塑性降低缺口敏感度金属材料对缺口的敏感性指标用缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值作为材料的缺口敏感性指标,称为缺口敏感度应力状态软性系数最大切应力τmax与最大正应力σmax的比值表示它们的相对大小HR洛氏硬度值HV维氏硬度值HK努氏硬度值HBW布氏硬度值NSR缺口敏感度σbb抗弯强度σbn缺口抗拉强度σbc脆性材料的抗压强度第三章冲击吸收功Ak式样变形和断裂所消耗的功,单位JAk=GH1-GH2低温脆性当试验温度低于某一温度tk时,材料由韧性状态变为脆性状态,冲击吸收功明显下降,断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型,断口特征由纤维状变为结晶状,这即低温脆性,转变温度tk称为韧脆转变温度,亦称韧脆转变温度韧脆转变的物理本质断裂强度σc随温度的变化较小,而屈服强度σs对温度十分敏感,随温度降低,屈服强度升高,两者的交点tk即为韧脆转变温度T>Tkσc>σs韧性断裂T<Tkσc<σs脆性断裂影响韧脆转变温度的冶金因素
1、晶体结构体心立方金属及合金存在低温脆性普通中低强度钢的基体都是体心立方点阵的铁素体
2、化学成分的影响1)间隙溶质元素↑→韧脆转变温度↑2) 置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度,但Ni和一定量Mn例外3) 杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降
3、晶粒尺寸细化晶粒使材料韧性增加
4、金相组织1) 对低强度钢按tk由高到低的顺序珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体2) 对中碳合金钢且强度相同,tk下贝氏体<回火马氏体;贝氏体马氏体混合组织>回火马氏体3) 低碳合金钢的韧性贝氏体马氏体混合组织>单一马氏体或单一贝氏体4) 马氏体钢的韧性奥氏体的存在将显著改善韧性钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响,影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关
二、外界因素
1、温度
2、加载速率
3、试样尺寸和形状AK冲击吸收功AKVV形缺口试样冲击功FATT50-冲击试样断口中结晶区面积占整个断口面积50%时NDT无塑性转变温度,以低阶能开始上升的温度定义的韧脆转变温度第四章应力强度因子KI表示应力场的强弱程度断裂韧度Kic的测试(式样的形状、尺寸及制备)试样的形状、尺寸及制备
1、四种试样三点弯曲,紧凑拉伸,C型拉伸,圆形紧凑拉伸试样
2、试样厚度、裂纹长度、韧带宽度有严格要求预先估计KIC(类比法),再逼近
3、试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件相同;预制裂纹长度有一定要求,疲劳裂纹长度
2.5%W且不小于
1.5mm影响断裂韧度的因素
(1)、内因
1、化学成分细化晶粒的元素→强度↑、塑性↑→KIC↑;强烈固溶强化的元素→塑性↓→KIC↓;形成金属间化合物并呈第二相析出的元素→塑性↓→KIC↓;
2、基体相结构和晶粒大小的影响基体相结构易于产生塑性变形→KIC↑,如对钢铁材料面心立方的KIC高于体心立方的KIC晶粒大小对KIC的影响与对常规力学性能的影响不同,一般,晶粒细化→KIC↑,但某些情况下,粗晶粒的KIC反而较高
3、夹杂和第二相的影响非金属夹杂物→KIC↓;脆性第二相的体积分数↑→KIC↓;韧性第二相形态和数量适当时→KIC↑;钢中微量杂质元素Sb、Sn、As等→KIC↓
4、显微组织的影响板条马氏体>针状马氏体回火索氏体>回火托氏体>回火马氏体下贝氏体>上贝氏体马氏体组织中存在一定的残余奥氏体→KIC↑
(二)、外界因素对断裂韧度的影响
1、温度一般大多数结构钢的断裂韧度随温度降低而下降,但随材料强度增加,KIC随温度变化的趋势趋于缓和
2、应变速率应变速率↑→KIC↓,但当应变速率很大时,形变热量来不及传导,造成绝热状态,导致局部温度升高,KIC又回升KIC临界应力场强度因子,线弹性条件下以应力场强度因子表示的断裂韧度Kc平面应力断裂韧度第五章疲劳金属机件或构件在变动载荷和应变长期作用下,由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳疲劳的分类
(1)按断裂寿命和应力高低不同分类高周疲劳Nf105;σσs亦称低应力疲劳低周疲劳Nf=102—105;σ≥σs亦称高应力疲劳或应变疲劳
(2)按应力状态不同分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等
(3)按环境和接触情况不同分类大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地,它一般总是产生在构件表面层的局部应力集中处,但如果构件内部存在缺陷,如脆性夹杂物、空洞等,也可在构件内部或皮下产生疲劳源有时不止一个,尤其在低周疲劳下,其应力幅值较大,断口上常有几个不同位置的疲劳核心源区光亮度↑;相邻疲劳区越大;贝纹线越多越密者→疲劳源越先产生疲劳区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区,是判断疲劳断裂的重要特征证据疲劳区宏观端口特征断口比较光滑并分布有贝纹线或海滩波纹状花样每个疲劳区的贝纹线如象一簇从疲劳源为园心的平行弧线,其凹侧指向疲劳源,凸侧指向裂纹扩展方向贝纹线间距也不同近疲劳源处贝纹线较细密,表示裂纹扩展较慢;而远离疲劳源处贝纹线较稀疏,表示裂纹扩展较快,留下的痕迹较粗糙它还和构件的过载程度及材料性质有关过载损伤-金属在高于疲劳极限的应力水平下运转一定周次后,其疲劳极限或疲劳寿命减小的现象过载损伤界—引起过载损伤需有一定的过载应力和一定的应力循环周次相配合即在每一过载应力下,引起过载损伤的临界循环周次过载损伤界就是在不同过载应力下,损伤累积造成的裂纹尺寸达到或超过非扩展裂纹尺寸的循环次数疲劳缺口敏感度金属材料在交变载荷作用下的缺口敏感性,需用疲劳缺口敏感度qf评定kt=σmax/σm1理论应力集中系数即应力集中处最大应力与平均应力之比kf=σ-1/σ-1N1疲劳缺口系数即光滑试样和缺口试样疲劳极限之比qf↑→疲劳缺口敏感度↑两种极端情况
1、qf=1即kf=kt缺口试样疲劳过程中应力分布与弹性状态完全一样,没有发生应力重新分布,材料的疲劳缺口敏感性最大
2、qf=0即kf=1σ-1=σ-1N缺口不降低疲劳极限,疲劳缺口敏感性最小
3、一般0qf1同样材料强度(或硬度)↑→qf↑
4、高周疲劳大多数金属对缺口敏感低周疲劳时因缺口根部一部分区域已处在塑性区,发生应力松弛,降低了应力集中,缺口敏感度降低
5、缺口根部曲率半径较小时,缺口尖锐度↑→qf↓,缺口根部曲率半径较大时,缺口尖锐度对qf的影响减小疲劳断口有什么特点答有疲劳源在形成疲劳裂纹之后,裂纹慢速扩展,形成贝壳状或海滩状条纹这种条纹开始时比较密集,以后间距逐渐增大由于载荷的间断或载荷大小的改变,裂纹经过多次张开闭合并由于裂纹表面的相互摩擦,形成一条条光亮的弧线,叫做疲劳裂纹前沿线,这个区域通常称为疲劳裂纹扩展区,而最后断裂区则和静载下带尖锐缺口试样的断口相似对于塑性材料,断口为纤维状,对于脆性材料,则为结晶状断口总之,一个典型的疲劳断口总是由疲劳源,疲劳裂纹扩展区和最终断裂区三部份构成σ-1对称应力循环下的弯曲疲劳极限Δkth是裂纹试样的无限寿命疲劳性能H-1p对称拉压疲劳极限τ-1对称扭转疲劳极限σ-1N缺口试样在对称应力循环下的疲劳极限第六章应力腐蚀金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下,经过一段时间后所产生的低应力脆断现象应力腐蚀产生条件
(1)应力机件所承受的应力包括工作应力和残余应力
(2)化学介质只有在特定的化学介质中,某种金属材料才能产生应力腐蚀
(3)金属材料一般纯金属不会产生应力腐蚀,所有合金对应力腐蚀均有不同程度的敏感性应力腐蚀断口特征应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口颇为相似,也有亚稳扩展区和最后瞬断区在亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化现象,故常呈黑色或灰黑色,具有脆性特征最后瞬断区一般为快速撕裂破坏,显示出基体材料的特性断口的微观形貌一般为沿晶断裂型,也可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型,有时还出现混合断裂型其表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑应力腐蚀抗力指标1应力腐蚀临界应力场强度因子因此,KISCC可作为力学性能指标,表示含有宏观裂纹的材料,在应力腐蚀条件下的断裂韧度KI初≥KISCC为金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据2应力腐蚀裂纹扩展速率单位时间内的应力腐蚀裂纹的扩展量称应力腐蚀裂纹扩展速率即da/dt,实验证明da/dt=fKI防止应力腐蚀的措施
1、合理选择金属材料针对机件所受的应力和接触的化学介质,选用耐应力腐蚀的金属材料,这是一个基本原则尽可能选用KISCC较高的合金,以提高机件抗应力腐蚀的能力
2.减少或消除机件中的残余拉应力
3.改善化学介质
4.采用电化学保护氢蚀由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体,使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色,颗粒状微观断口上晶界明显加宽,呈沿晶断裂氢化物致脆对于ⅣB或ⅤB族金属如纯钛、α-钛合金、镍、锆及其合金,由于它们与氢有较大的亲和力,极易生成脆性氢化物,使金属脆化氢致延滞断裂高强度钢或α+β钛合金,含有适量的处于固溶状态的氢在低于屈服强度的应力持续作用下,经过一段孕育期后,在金属内部,特别是在三向拉应力区形成裂纹,裂纹逐步扩展,最后突然发生脆性断裂这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂K1scc应力腐蚀临界应力场强度因子da/dt应力腐蚀或氢致延滞断裂裂纹扩展速率第七章磨损机件表面相接触并作相对运动时,表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑松散的尺寸与形状均不相同的碎屑,使表面材料逐渐流失导致机件尺寸和质量损失、造成表面损伤的现象磨损分类方法是
(1)粘着磨损接触表面相互运动时,由于固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成的磨损
(2)磨粒磨损由于摩擦表面间硬颗粒或硬突起,使材料产生脱落而形成的磨损
(3)冲蚀磨损含有固体颗粒的流体介质冲刷固体表面,使表面造成材料损失的磨损,又称为湿磨粒磨损
(4)疲劳磨损由于摩擦表面间循环交变应力引起表面疲劳,导致摩擦表面材料脱落而形成的磨损
(5)腐蚀磨损在摩擦过程中,由于固体界面上的材料与周围介质发生化学反应导致材料损耗而形成的磨损
(6)微动磨损在两物体接触面间由于振幅很小1mm以下的相对振动引起的磨损耐磨性是材料抵抗磨损的性能,这是一个系统性质通常是用磨损量来表示材料的耐磨性,磨损量越小,耐磨性越高计算题
16.有一大型板件,材料的σ
0.2=1200MPa,KIc=115MPa*m1/2,探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹,若在平均轴向拉应力900MPa下工作,试计算KI及塑性区宽度R0,并判断该件是否安全?解由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa根据σ/σ
0.2的值,确定裂纹断裂韧度KIC是否休要修正因为σ/σ
0.2=900/1200=
0.
750.7,所以裂纹断裂韧度KIC需要修正对于无限板的中心穿透裂纹,修正后的KI为=(MPa*m1/2)塑性区宽度为=
0.004417937m=
2.21mm比较K1与KIc因为K1=
168.13(MPa*m1/2)KIc=115(MPa*m1/2)所以K1KIc,裂纹会失稳扩展所以该件不安全
17.有一轴件平行轴向工作应力150MPa,使用中发现横向疲劳脆性正断,断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区,根据裂纹a/c可以确定φ=1,测试材料的σ
0.2=720MPa,试估算材料的断裂韧度KIC为多少?解因为σ/σ
0.2=150/720=
0.
2080.7,所以裂纹断裂韧度KIC不需要修正对于无限板的中心穿透裂纹,修正后的KI为KIC=Yσcac1/2对于表面半椭圆裂纹,Y=
1.1/φ=
1.1所以,KIC=Yσcac1/2=
1.1=
46.229(MPa*m1/2)。