断裂破损的幻灯片

1、第八章 破損（failure） 破損機制 破斷（fracture）、疲勞（ fatigue），潛變（creep） 設計原理防止使用時破損 材料選用 破損：危及人身安全，造成經濟損 失，產品與服務中斷 了解原因，保證使用時不破損困難 不當材料選用、製程，不足組件（ component）設計或誤用 預期及決定可能發生破損的對策 破損分析（failure analysis） ：了解 原因，採取措施防止未來意外發生 單純破損 破斷力學（fracture mechanics） 原理 衝擊破斷測試 延性至脆性轉換（ductile to brittle transition） 疲勞，潛變 破斷 低溫、低應變

2、速率下物體分成兩 個以上部分 延性與脆性破斷 延性破斷：相當塑性變形、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、應變速率、 應力狀態有關 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 穩定而除非應力增加抗拒進一步擴 張 破斷表面可觀塑性變形證據 脆性破斷：裂縫快速散佈，幾乎無 塑性變形 不穩定：在應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（cu

3、p-and-cone）破斷： 頸縮，小孔穴（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由剪切應力導致破斷 。斷面中央不規則而顯現纖維狀 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剪切應力破斷面：伸長軔窩， C形，拋物線形 破斷方式（mode），應力狀態， 裂縫起始（initiation）位置 脆性破斷 較平坦斷面，破斷面與拉伸 應力方向幾乎垂直 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

4、材 料：光滑面 劈裂（cleavage） 穿晶（transgranular， transcrystalline） 沿晶（intergranular）：三度 空間晶粒 破斷力學原理 破斷機制 量化材料性質、應力、裂 縫導致瑕疵、裂縫傳播機 制關係 預期與防止破損 應力集中 破斷強度為原子間凝聚力函數 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 應力量變曲線 放大：應力提升者（raiser） 橢圓形而垂直於應力方向 m：裂縫尖端最大應力 m = 0 1 + 2(a/t)1/2 a：裂縫尺寸，t：曲率半 徑，0：應力 a t

5、 m = 2 0 (a/t)1/2 應力集中因子 Kt =m /0 = 2 (a/t)1/2 大尺寸缺陷 Griffith脆性破斷理論 彈性應變能釋放 表面能增加 裂縫傳播臨界應力 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：臨界應變能釋放率 c = E gc /（a）1/2 gc = (ac2)/E 破斷應力分析 負荷方式：拉伸，滑移，撕裂（ tearing K：應力強度因子 )(2/ xx frK )(2/ yy frK )(2/

6、xyxy frK aYK 破斷軔性 衝擊破斷測試 拉伸測試結果不能用來預測破斷行 為 某些情況下延性材料突然斷裂 Y(a/W) = W/(a) tan(a)/W1/2 aWaYK cc )/( 衝擊測試技巧 Charpy V-notch（ CVN） Izod 延性至脆性轉變 衝擊測試決定是否有隨溫 度而有延性至脆性轉變 溫度範圍 破斷表面：破斷性質 CVN數值（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 動態與變動應力 橋樑、飛機、機械零件 反覆應力循環 金屬破損最主要原因（90%） 陶瓷、高分子

7、 災難、不知不覺間加劇的、突然 週期應力 應力負荷方式：軸向張壓力，彎曲 （flexural，bending），扭力 三種方式： 規則正弦式，反向（reversed）應 力週期 重複（repeated）應力週期 不規則的（random）應力週期 平均應力 m = （max + min ）/2 應力範圍 r = max - min 應力振幅 a = r/2 =（max - min）/2 應力比 R = min / max S-N曲線 應力振幅 a（min 或 max） N：至破損週期數目 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，C

8、u，Mg） 無疲勞極限 疲勞強度：特定週期數目（如 107）破損應力 疲勞壽命Nf：特定應力下產生 破損週期數目 疲勞破損或然率：表面準備， 冶金變數，測試設備中試片對 準，平均應力，測試頻率 特定破損或然率曲線 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 垂直於應力，應力週期，裂 縫傳播一凹痕距離 海灘（宏觀）狀痕 跡：間歇性應力 條紋（微觀）狀痕 跡：各週期 裂縫傳播速率 預測疲勞壽命準則 高週期疲勞（ 104-105 ）

9、疲勞壽命與裂縫成長速 率 裂縫長度與週期數目 da/dN = A (K)m K：應力強度因子 A，m：與材料、環境、頻率、應力 比，M1-6 K = Kmax-Kmin Log (da/dN) = logA + m log (K) dN = da/A (K)m 疲勞壽命 平均應力：S-N曲線 表面效應：設計因素，表 面處理（珠擊），表面硬 化 環境效應：熱疲勞，腐蝕 疲勞 潛變 高溫靜態應力 渦輪轉子：噴射引擎與 蒸汽發電機，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（應變硬化） 二次（secondary）潛變（穩定態潛變）： 線性，時間最長，應變硬化與回復抵消 三次（tertiary）潛變：破裂，潛變速率逐 漸增加 潛變與應力方向通常無關 長期應用（如核能電廠） 最小或穩定態潛變速率 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 應力與溫度效應 T 0.4Tm，初期變形後， 應變幾與時間無關 如應力或溫度增加：瞬間 變形增加，穩定態潛變速 率增加，至破裂時間減少 穩定態潛變速率 Qc ：潛變活化能 n s K 1 )/(ex