全套课件 材料力学性能（第2版）时海芳.ppt

§2 氢脆 第二类脆性：合金中原有的氢含量较低，不足以形成氢化物；但当受到应力作用时，氢将向拉应 力区或裂纹前沿聚集、一旦达到足够浓度，过饱和 氢将从固溶体中析出并形成氢化物。由于应力感生 氢化物所引起的脆化，属于第二类氢脆。 2）特点： 金属材料对氢化物造成的氢脆敏感性，随温度降低及试样缺口的尖锐程度增加而增加。 裂纹常沿氢化物与基体的界面发生，因此在断口上常可以发现氢化物。 氢化物的形状和分布对脆性有明显的影响。沿晶界呈片状分布敏感性提高。 4. 氢致延滞断裂 1）现象： 高强钢或钛合金含有适量的固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段时间孕育后，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。 §6　影响疲劳强度的主要因素 2) 组织 正火组织：片状K，疲劳极限低 淬火回火组织： 等温淬火组织： 硬度相同，韧性＞淬火回火组织 3. 夹杂物及冶金缺陷： 作为裂纹核心，降低疲劳极限 首先判别是高周疲劳寿命还是低周疲劳寿命,裂纹萌生、裂纹扩展在整个疲劳寿命中谁占主导地位。 2) 对高周疲劳，通常采用以下方法: 提高强度：a.合金化，b.热处理，c.变形，d.细化晶粒等。 减少材料表面可能的疲劳裂纹源：a.改善表面光洁度，b.改善表面应力集中，c.表面处理（压应力）。 减少夹杂物含量。 对低周疲劳来说，可采取: 减少夹杂物或改善夹杂物的分布，阻止裂纹的萌生。 提高材料的塑性。 第五章 金属的疲劳 §7 聚合物的疲劳 一、聚合物的S-N曲线和疲劳极限 聚合物的疲劳性能，也可用S-N曲线表示： Ⅰ区：高应力区σa σ银纹引发 银纹→裂纹→扩展→断裂→疲劳寿命短，断面呈镜面 Ⅱ区：中应力区σa≈1/2-1/4 σs 或σb 呈线性下降。 引发银纹→裂纹→扩展→速度↓ Ⅲ区: 低应力区σa难以引发银纹，在交变应力下，聚合物损伤积累及微观结构变化产生了微孔洞和微裂纹。S-N曲线接近于水平状态。 聚合物的疲劳强度σ-1随分子量的增大而提高，但随结晶度的增大而降低。 §7 聚合物的疲劳 对低应力下易产生银纹的结晶态聚合物的疲劳过程，会出现以下现象： 1) 常发生疲劳应变软化，而不出现应变硬化。 2) 分子链间剪切滑移，分子链断裂，晶体精细结构发生变化。 3) 产生显微孔洞 4) 微孔洞复合成微裂纹，微裂纹扩展成宏观裂纹。 一般刚性聚合物的S-N曲线并不出现三个阶段 二、聚合物的疲劳裂纹扩展 1.疲劳过程： 疲劳应力引发银纹→裂纹→扩展→断裂 特点：虽符合Paris方程，但只出现 一个阶段（第二阶段） §7 聚合物的疲劳 2.断口： 1）疲劳辉纹； 2）斑纹；疲劳裂纹不是连续的，而是呈跳跃式发展。 第五章 金属的疲劳 §8 陶瓷材料的疲劳 与金属材料疲劳（在长期交变应力下，耐用应力下降及破坏行为 ）相比,陶瓷疲劳含义更广: 静态疲劳： 一定载荷作用下，耐用应力下降； 动态疲劳：恒定载荷速率加载，研究材料失效断裂对加载速率的敏感。 循环疲劳： 同金属疲劳； 一、静疲劳 通常用裂纹顶端的应力强度因子KI 和裂纹扩展速率V 的关系曲线表示。 1）在区域I，裂纹开始扩展，在此领域裂纹尖端的水蒸汽引起Si-O结合，这种应力腐蚀速度控制了裂纹扩展速度V。 裂纹扩展速度和应力强度因子KI的关系可用下式表示： §8 陶瓷材料的疲劳 2）在区域Ⅱ，裂纹尖端水分的扩散速度跟上了应力腐蚀速度，扩散速度控制了裂纹扩展速度，所以裂纹扩展速度变成了与KI无关的恒定值。 3）在区域Ⅲ，腐蚀反应时由于材料内部缺陷等原因，使裂纹快速扩展，最后当裂纹尖端应力强度因子 KI达到材料断裂韧性KIC时，材料发生突然断裂。 二、循环应力疲劳 陶瓷材料的疲劳与金属材料疲劳有如下差别： 1) 陶瓷材料对交变载荷不敏感，疲劳裂纹扩展速率强烈依赖于最大应力强度因子(KImax )，而应力强度因子幅(ΔKI )影响较小。 2) 陶瓷断口中不易观测到疲劳条纹 3) 陶瓷材料不存在真正的疲劳极限，只有条件疲劳极限，并且陶瓷中疲劳强度的分散性远大于金属。 4) 金属中的疲劳门槛值ΔKth通常只有KIC的5 ％～15％。陶瓷材料ΔKth～KIC的范围很窄，因此可进行疲劳裂纹扩展试验的应力强度因子范围也很窄。 第五章 金属的疲劳 §8 热疲劳和冲击疲劳 许多零部件如锅炉、蒸汽机中的构件及热作模具，在工作中受热应力和机械应力的共同作用，而产生热疲劳，其属于低周疲劳的一种。 一、热疲劳 构件上的交变热应力是由于其本身存在温度的交替变化，引起了构件的膨胀与收缩的循环。构件的膨胀和收缩受到约束，而产生热应力。 在热疲劳中，其应变范围Δε=αΔT，α为热膨胀系数。 对于纯热循环引起的热疲劳，Coffin在不锈钢中得到了类似于机械疲劳的寿命曲线： §8 热疲劳和冲击疲劳