1、關(guān)于拉伸力-伸長曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的問題
↑低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線↑
a、拉伸過程的變形:
彈性變形,屈服變形,加工硬化(均勻塑性變形),不均勻集中塑性變形。
b、相關(guān)公式:
工程應(yīng)力 σ=F/A0 ;工程應(yīng)變?chǔ)?ΔL/L0;比例極限σP;彈性極限σε;屈服點(diǎn)σS;抗拉強(qiáng)度σb;斷裂強(qiáng)度σk。
真應(yīng)變 e=ln(L/L0)=ln(1+ε) ;真應(yīng)力 s=σ(1+ε)= σ*eε 指數(shù)e為真應(yīng)變。
c、相關(guān)理論:
真應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變,且變形量越大,二者差距越大;真應(yīng)力大于工程應(yīng)力。
彈性變形階段,真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線基本吻合;塑性變形階段兩者出線顯著差異。
2、關(guān)于彈性變形的問題
a、相關(guān)概念
彈性:表征材料彈性變形的能力
剛度:表征材料彈性變形的抗力
彈性模量:反映彈性變形應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的常數(shù), E=σ/ε ;工程上也稱剛度,表征材料對(duì)彈性變形的抗力。
彈性比功:稱彈性比能或應(yīng)變比能,是材料在彈性變形過程中吸收變形功的能力,評(píng)價(jià)材料彈性的好壞。
包申格效應(yīng):金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形,再同向加載,規(guī)定殘余伸長應(yīng)力增加;反向加載,規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象。
滯彈性:(彈性后效)是指材料在快速加載或卸載后,隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能。
彈性滯后環(huán):非理想彈性的情況下,由于應(yīng)力和應(yīng)變不同步,使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線。
金屬材料在交變載荷作用下吸收不可逆變形功的能力,稱為金屬的循環(huán)韌性,也叫內(nèi)耗
b、相關(guān)理論:
彈性變形都是可逆的。
理想彈性變形具有單值性、可逆性,瞬時(shí)性。但由于實(shí)際金屬為多晶體并存在各種缺陷,彈性變形時(shí),并不是完整的。
彈性變形本質(zhì)是構(gòu)成材料的原子或離子或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆變形的反映
單晶體和多晶體金屬的彈性模量,主要取決于金屬原子本性和晶體類型。
包申格效應(yīng);滯彈性;偽彈性;粘彈性。
包申格效應(yīng)消除方法:預(yù)先大塑性變形,回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火。
循環(huán)韌性表示材料的消震能力。
3、關(guān)于塑形變形的問題
a、相關(guān)概念
滑移:滑移系越多,塑性越好;滑移系不是唯一因素(晶格阻力等因素);滑移面——受溫度、成分和變形的影響;滑移方向——比較穩(wěn)定
孿生:fcc、bcc、hcp都能以孿生產(chǎn)生塑性變形;一般在低溫、高速條件下發(fā)生;變形量小,調(diào)整滑移面的方向
屈服現(xiàn)象:退火、正火、調(diào)質(zhì)的中、低碳鋼和低合金鋼比較常見,分為不連續(xù)屈服和連續(xù)屈服;
屈服點(diǎn):材料在拉伸屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值,σs;
上屈服點(diǎn):試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力值,σsu;
下屈服點(diǎn):試樣屈服階段中最小應(yīng)力,σsl;
屈服平臺(tái)(屈服齒):屈服伸長對(duì)應(yīng)的水平線段或者曲折線段;
呂德斯帶:不均勻變形;對(duì)于沖壓件,不容許出現(xiàn),防止產(chǎn)生褶皺。
屈服強(qiáng)度:表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力
連續(xù)屈服曲線的屈服強(qiáng)度:用規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力表征材料對(duì)微量塑性變形的抗力
(1)規(guī)定非比例伸長應(yīng)力σp:
(2)規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr:試樣卸除拉伸力后,其標(biāo)距部分的殘余伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力;殘余伸長的百分比為0.2%時(shí),記為σr0.2
(3)規(guī)定總伸長應(yīng)力σt:試樣標(biāo)距部分的總伸長(彈性伸長加塑性伸長)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。
晶格阻力(派納力);位錯(cuò)交互作用阻力
Hollomon公式:S=Ken ,S為真應(yīng)力,e為真應(yīng)變;n—硬化指數(shù)0.1~0.5,n=1,完全理想彈性體,n=0,沒有硬化能力;K——硬化系數(shù)
縮頸是:韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象。
抗拉強(qiáng)度:韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。代表金屬材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力,表征金屬材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。與應(yīng)變硬化指數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)有關(guān)。等于最大拉應(yīng)力比上原始橫截面積。
塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久(塑性)變形的能力。
b、相關(guān)理論
常見的塑性變形方式:滑移,孿生,晶界的滑動(dòng),擴(kuò)散性蠕變。
塑性變形的特點(diǎn):各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性(取向不同;各晶粒力學(xué)性能的差異);各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性(金屬是一個(gè)連續(xù)的整體,多系滑移;Von Mises 至少5個(gè)獨(dú)立的滑移系)。
硬化指數(shù)的測定:①試驗(yàn)方法;②作圖法lgS=lgK+nlge
硬化指數(shù)的影響因素:與層錯(cuò)能有關(guān),層錯(cuò)能下降,硬化指數(shù)升高;對(duì)金屬材料的冷熱變形也十分敏感;與應(yīng)變硬化速率并不相等。
縮頸的判據(jù)(失穩(wěn)臨界條件)拉伸失穩(wěn)或縮頸的判據(jù)應(yīng)為dF=0
兩個(gè)塑性指標(biāo):斷后伸長率δ=(L1-L0)/LO*100%;
斷后收縮率:ψ=(A0-A1)/A0*100%
ψ>δ,形成為縮頸
ψ=δ或ψ<δ,不形成縮頸
4、關(guān)于金屬的韌度斷裂問題
a、相關(guān)概念
韌性:斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力
韌度:單位體積材料斷裂前所吸收的功
韌性斷裂:裂紋緩慢擴(kuò)展過程中消耗能量;斷裂最先發(fā)生在纖維區(qū),然后快速擴(kuò)展形成放射最后斷裂形成剪切唇,放射區(qū)在裂紋快速擴(kuò)展過程中形成,一般放射區(qū)匯聚方向指向裂紋源。
脆性斷裂:基本不產(chǎn)生塑性變形,危害性大。低應(yīng)力脆斷,工作應(yīng)力很低,一般低于屈服極限;脆斷裂紋總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始;溫度降低,應(yīng)變速度增加,脆斷傾向增加。
穿晶斷裂:裂紋穿過晶內(nèi),可以是韌性斷裂,也可以是脆性斷裂,斷口明亮。
沿晶斷裂:裂紋沿晶界擴(kuò)展,都是脆性斷裂,由晶界處的脆性第二相等造成,斷口相對(duì)灰暗。穿晶斷裂和沿晶斷裂可混合發(fā)生。高溫下,多由穿晶斷裂轉(zhuǎn)為沿晶韌性斷裂。
沿晶斷裂斷口:斷口冰糖狀;若晶粒細(xì)小,斷口呈晶粒狀。
剪切斷裂:材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。(滑斷、微孔聚集型斷裂)
解理斷裂:材料在正應(yīng)力作用下,由于原于間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。
金屬的強(qiáng)度就是指金屬材料原子間結(jié)合力的大小,一般說金屬熔點(diǎn)高,彈性模量大,熱膨脹系數(shù)小則其原子間結(jié)合力大,斷裂強(qiáng)度高。斷裂的實(shí)質(zhì)就是外力作用下材料沿某個(gè)原子面分開的過程。
格里菲思理論:從熱力學(xué)觀點(diǎn)看,凡是使能量減低的過程都將自發(fā)進(jìn)行,凡使能量升高的過程必將停止,除非外界提供能量。Griffth指出,由于裂紋存在,系統(tǒng)彈性能降低,與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如彈性能降低足以滿足表面能增加,裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展,引起脆性破壞。
b、相關(guān)理論
斷裂三種主要的失效形式:磨損、腐蝕、斷裂
多數(shù)金屬的斷裂包括裂紋的形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段。
按斷裂的性態(tài):韌性斷裂和脆性斷裂;按裂紋擴(kuò)展路徑:穿晶斷裂和沿晶斷裂;按斷裂機(jī)制:解理斷裂和剪切斷裂
韌性斷裂和脆性斷裂:根據(jù)材料斷裂前產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來確定。通常脆性斷裂也會(huì)發(fā)生微量的塑性變形,一般規(guī)定斷面收縮率小于5%則為脆性斷裂。反之大于5%的為韌性斷裂。
脆性斷口平齊而光亮,與正應(yīng)力垂直,斷口常呈人字紋或放射花樣。
解理斷裂是沿特定的晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂,通?？傃匾欢ǖ木娣蛛x。
解理斷裂總是脆性斷裂,但脆性斷裂不一定是解理斷裂。
常見的裂紋形成理論:①位錯(cuò)塞積理論 ②位錯(cuò)反應(yīng)理論
解理與準(zhǔn)解理
共同點(diǎn):穿晶斷裂;有小解理刻面;臺(tái)階及河流花樣
不同點(diǎn):①準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面②解理裂紋常源于晶界,準(zhǔn)解理裂紋常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)。準(zhǔn)解理不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)理,而是解理斷裂的變種。
格雷菲斯理論是根據(jù)熱力學(xué)原理得出的斷裂發(fā)生的必要條件,但并不意味著事實(shí)上一定斷裂。裂紋自動(dòng)擴(kuò)展的充分條件是尖端應(yīng)力等于或大于理論斷裂強(qiáng)度。
5、關(guān)于硬度的問題
a、硬度概念
硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。
b、硬度試驗(yàn)方法:
劃痕法——表征金屬切斷強(qiáng)度
回跳法——表征金屬彈性變形功
壓入法——表征塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力
布氏硬度
壓頭:淬火鋼球(HBS),硬質(zhì)合金球(HBW)
載荷:3000Kg 硬質(zhì)合金,500Kg 軟質(zhì)材料
保載時(shí)間:10-15s 黑色金屬,30s 有色金屬
壓痕相似原理
只用一種標(biāo)準(zhǔn)的載荷和鋼球直徑,不能同時(shí)適應(yīng)硬的材料或者軟的材料。為保證不同載荷和直徑測量的 硬度值之間可比,壓痕必須滿足幾何相似。
布氏硬度表示方法:600HBW1/30/20
①度值,②符號(hào)HBW,③球直徑,④試驗(yàn)力(1kgf=9.80665N),⑤試驗(yàn)力保持時(shí)間
布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):壓頭直徑較大→壓痕面積較大→硬度值可反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能,不受個(gè)別組成 相及微小不均勻性的影響。
缺點(diǎn):對(duì)不同材料需更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力,壓痕測量麻煩,自動(dòng)檢測受到限制;壓痕較大時(shí)不宜在成品上試驗(yàn)
洛氏硬度
以測量壓痕深度表示材料硬度值。
壓頭有兩種:α=120°的金剛石圓錐體,一定直徑的淬火鋼球。
洛氏硬度試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):操作簡便、迅速,硬度可直接讀出;壓痕較小,可在工件上試驗(yàn);用不同標(biāo)尺可測定軟硬不同和厚薄不一的試樣。
缺點(diǎn):壓痕較小,代表性差;材料若有偏析及組織不均勻等缺陷,測試值重復(fù)性差,分散度大;用不同標(biāo)尺測得的硬度值沒有聯(lián)系,不能直接比較。
維氏硬度
原理與布氏硬度試驗(yàn)相同,根據(jù)單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算硬度值。不同的是維氏硬度的壓頭是兩個(gè)相對(duì)面夾角α為136°的金剛石四棱錐體。
努氏硬度
與維氏硬度的區(qū)別1)壓頭形狀不同;2)硬度值不是試驗(yàn)力除以壓痕表面積,而是除以壓痕投影面積
肖氏硬度
一種動(dòng)載荷試驗(yàn)法,原理是將一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘,從一定高度落于金屬試樣表面,根據(jù)重錘回跳的高度來表征金屬硬度值大小,也稱回跳硬度。用HS表示。
里氏硬度
動(dòng)載荷試驗(yàn)法,用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面,用沖頭的回彈速度表征金屬的硬度值。用HL表示。
6、關(guān)于金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能
a、相關(guān)概念
沖擊韌性:指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力,常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功AK表示。
沖擊測量參數(shù):測量沖擊脆斷后的沖擊吸收功(AkU或AKV),沖擊吸收功并不能真正反映材料的韌脆程度(沖擊吸收功 并非完全用于試樣變形和破壞)
低溫脆性:體心立方或某些密排六方晶體金屬及合金,當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk或溫度區(qū)間時(shí),材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài),沖擊吸收功明顯下降,斷裂機(jī)理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀。tk或溫度區(qū)間稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,又稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度。
b、相關(guān)理論
韌脆的評(píng)價(jià)方法:材料的缺口沖擊彎曲試驗(yàn),材料的沖擊韌性
韌脆的影響因素:溫度(低溫脆性);應(yīng)力狀態(tài)(三向拉應(yīng)力狀態(tài));變形速度的影響(沖擊脆斷)
低溫脆性的本質(zhì):低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。屈服強(qiáng)度σs的隨溫度降低而升高,而斷裂強(qiáng)度σc隨溫度變化很小。
t>tk ,σc>σs ,先屈服再斷裂;t<tk ,σc<σs ,脆性斷裂
韌脆轉(zhuǎn)變溫度是金屬材料的韌性指標(biāo),它反映了溫度對(duì)韌脆性的影響。
影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素:
晶體結(jié)構(gòu):體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強(qiáng)度鋼的基體是體心立方點(diǎn)陣的鐵素體,故這類鋼 有明顯的低溫脆性。
化學(xué)成分:間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中,偏聚于 位錯(cuò)線附近,阻礙位 錯(cuò)運(yùn)動(dòng),致σs升高, 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。
顯微組織:晶粒大小,細(xì)化晶粒使材料韌性增加;減小亞晶和胞狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高韌性。
細(xì)化晶粒提高韌性的原因:晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力;晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少,有利于降低應(yīng)力集中;晶界總面積 增加,使晶界上雜質(zhì)濃度減少,避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。
7、關(guān)于金屬疲勞的問題
a、金屬疲勞現(xiàn)象
疲勞:金屬機(jī)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下,由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。
疲勞的破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力作用下,逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂,當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程,是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷累積,最終引起整體破壞的過程。
循環(huán)應(yīng)力的波形:正弦波、矩形波和三角波等。
表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有:
最大循環(huán)應(yīng)力σmax,最小循環(huán)應(yīng)力σmin;平均應(yīng)力:σm=(σmax+σmin)/2;應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍:σa=(σmax-σmin)/2;應(yīng)力比:r=σmin/σmax
疲勞按應(yīng)力狀態(tài)分:彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞;
疲勞按環(huán)境和接觸情況分:大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。
疲勞按應(yīng)力高低和斷裂壽命分:高周疲勞和低周疲勞。
b、金屬疲勞特點(diǎn)
疲勞的特點(diǎn):該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞,在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形,呈脆性斷裂。
疲勞對(duì)缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感,即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中,加大對(duì)材料的損傷作用;組織缺陷(夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等),將降低材料的局部強(qiáng)度,二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。
c、金屬疲勞宏觀斷口
疲勞宏觀斷口的特征:疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低,因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段,相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)的特征。
疲勞源:是疲勞裂紋萌生的策源地。
位置:多出現(xiàn)在機(jī)件表面,常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點(diǎn)等),也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。
特點(diǎn):因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓,摩擦次數(shù)多,疲勞源區(qū)比較光亮,而且因加工硬化,該區(qū)表面硬度會(huì)有所提高。
數(shù)量:機(jī)件疲勞破壞的疲勞源可以是一個(gè),也可以是多個(gè),它與機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個(gè)源區(qū),雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。過載程度愈高,名義應(yīng)力越大,出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。
產(chǎn)生順序:若斷口中同時(shí)存在幾個(gè)疲勞源,可根據(jù)每個(gè)疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后,源區(qū)越光亮,相連的疲勞區(qū)越大,就越先產(chǎn)生;反之,產(chǎn)生的就晚。
疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。
宏觀特征:斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣),有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。
斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù),其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱,反映裂紋擴(kuò)展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。
貝紋線——疲勞區(qū)的最典型特征:產(chǎn)生原因:一般認(rèn)為是因載荷變動(dòng)引起的,因?yàn)闄C(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)常有啟動(dòng)、停歇、偶然過載等,均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。
形貌特點(diǎn):疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線,凹側(cè)指向疲勞源,凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密,表明裂紋擴(kuò)展較慢;遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙,表明此段裂紋擴(kuò)展較快。
影響因素:貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機(jī)件名義應(yīng)力較高或材料韌性較差,則疲勞區(qū)范圍較小,貝紋線不明顯;反之,低名義應(yīng)力或高韌性材科,疲勞區(qū)范圍較大,貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點(diǎn)的擴(kuò)展速度、載荷類型、過載程度及應(yīng)力集中等決定。
瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段,隨應(yīng)力循環(huán)增加,裂紋不斷增長,當(dāng)增加到臨界尺寸ac時(shí),裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料斷裂韌性KIc(Kc)時(shí)。裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展,導(dǎo)致機(jī)件瞬時(shí)斷裂。
瞬斷區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙,宏觀特征如同靜載,隨材料性質(zhì)而變。
脆性材料斷口呈結(jié)晶狀;
韌性材料斷口,在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀,邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。
位置:瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對(duì)側(cè)。但對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲來說,低名義應(yīng)力時(shí),瞬斷區(qū)位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度;高名義應(yīng)力時(shí),多個(gè)疲勞源同時(shí)從表面向內(nèi)擴(kuò)展,使瞬斷區(qū)移向中心位置。
大小:瞬斷區(qū)大小與機(jī)件承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān),高名義應(yīng)力或低韌性材科,瞬斷區(qū)大;反之。瞬斷區(qū)則小。
d、疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能
疲勞曲線:疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線,即S-N曲線。
用途:它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。
有水平段(碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等):經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂,將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限,記為σ-1(對(duì)稱循環(huán))
無水平段(鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等):只是隨應(yīng)力降低,循環(huán)周次不斷增大。此時(shí),根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限。
疲勞曲線的測定——升降法測定疲勞極限
d、疲勞過程及機(jī)理
疲勞過程:裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)過程。
疲勞壽命Nf=萌生期N0+亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np
金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴(kuò)展的過程。
裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū),通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。
疲勞微裂紋常由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有:表面滑移帶開裂;第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂;晶界或亞晶界處開裂。
e、如何提高疲勞強(qiáng)度
如何提高疲勞強(qiáng)度——滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋角度
從滑移開裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機(jī)理看,只要能提高材料滑移抗力(固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等),均可阻止疲勞裂紋萌生,提高疲勞強(qiáng)度。
如何提高疲勞強(qiáng)度——相界面開裂產(chǎn)生裂紋角度
從第二相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機(jī)理來看,只要能降低第二相或夾雜物脆性,提高相界面強(qiáng)度,控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”,均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生,提高疲勞強(qiáng)度。
如何提高疲勞強(qiáng)度——晶界開裂產(chǎn)生裂紋
從晶界萌生裂紋來看,凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素,如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等,均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強(qiáng)度;反之,凡使晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒的因素,均能抑制晶界裂紋形成,提高疲勞強(qiáng)度。
f、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素
表面狀態(tài)的影響:應(yīng)力集中——機(jī)件表面缺口因應(yīng)力集中往往是疲勞策源地,引起疲勞斷裂,可用Kf與qf表征缺口應(yīng)力集中對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響。Kf與qf越大,材料的疲勞強(qiáng)度就降得越低。且這種影響隨材料強(qiáng)度的增高,更加顯著。
表面粗糙度——表面粗糙度越低,材料的疲勞極限越高;表面粗糙度越高,疲勞極限越低。材料強(qiáng)度越高,表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。
殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響:殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度;殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。殘余壓應(yīng)力的影響與外加應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),不同應(yīng)力狀態(tài),機(jī)件表面層的應(yīng)力梯度不同。彎曲疲勞時(shí),效果比扭轉(zhuǎn)疲勞大;拉壓疲勞時(shí),影響較小。殘余壓應(yīng)力顯著提高有缺口機(jī)件的疲勞強(qiáng)度,殘余應(yīng)力可在缺口處集中,能有效地降低缺口根部的拉應(yīng)力峰值。殘余壓應(yīng)力的大小、深度、分布以及是否發(fā)生松弛都會(huì)影響疲勞強(qiáng)度。
表面強(qiáng)化的影響——表面強(qiáng)化可在機(jī)件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,同時(shí)提高強(qiáng)度和硬度。兩方面的作用都會(huì)提高疲勞強(qiáng)度。(方法:噴丸、滾壓、表面淬火、表面化學(xué)熱處理)硬度由高到低的順序:滲氮→滲碳→感應(yīng)加熱淬火;強(qiáng)化層深度由高到低順序:表面淬火→滲碳→滲氮。
材料成分及組織的影響:疲勞強(qiáng)度是對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)敏感的力學(xué)性能。合金成分、顯微組織、非金屬夾雜物及冶金缺陷
g、低周疲勞
低周疲勞:金屬在循環(huán)載荷作用下,疲勞壽命為102～105次的疲勞斷裂。
循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象與位錯(cuò)循環(huán)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
在一些退火軟金屬中,在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下,由于位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和交互作用,產(chǎn)生了阻礙位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的阻力,從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。
在冷加工后的金屬中,充滿位錯(cuò)纏結(jié)和障礙,這些障礙在循環(huán)加載中被破壞;或在一些沉淀強(qiáng)化不穩(wěn)定的合金中。由于沉淀結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載中校破壞均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。
熱疲勞:機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞。
熱機(jī)械疲勞:溫度循環(huán)和機(jī)械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲勞。
產(chǎn)生熱應(yīng)力的兩個(gè)條件:①溫度變化②機(jī)械約束
沖擊疲勞:沖擊次數(shù)N>105次時(shí),破壞后具有典型的疲勞斷口,即為沖擊疲勞。
來源:新材料在線
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