金属材料的机械性质课件

金属材料的机械性质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：回复－－＞再结晶－－＞晶粒成长1.1

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：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：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：冷加工量：愈大，再结晶温度愈低加热温度：愈高，再结晶时间愈短晶粒尺寸：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！(F6-9,10,11)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)试片开始颈缩，并在颈缩区域出现微空穴。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。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：

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,“MechanicalMetallurgy,”2ded.,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：差排滑移集中于障碍处差排受阻挡处之剪应力增大，导致微裂纹成核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(Chevronpattern)－＞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(fracturetoughness)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σ=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σf=破坏应力，当外加的应力σmax大于材料的σf，则裂纹传播！－－＞KIC

越大，则使裂纹成长所需的临界应力σf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：WhiteShellResearch)试片厚度B＞2.5(KIC/σy)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232014-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,andJ.Wulff,“TheStructureandPropertiesofMaterials,”vol.III,Wiley,1965,p.15)疲劳强度：钢铁＞S－N曲线的水平区－约为抗拉强度的0.4~0.5倍非铁合金＞~10Λ8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.CottrellandD.Hull,Proc.R.Soc.London,242A:211-216（1957)延性金属之疲劳过程的结构变化：裂纹起始：疲劳断裂之初期滑移带裂纹成长：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。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（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，1/2Tm)，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