工程材料与热处理 课件 3金属材料韧性、疲劳强度研究

金属材料韧性、疲劳强度探究目录断裂韧性01冲击韧性02疲劳强度03疲劳断裂特点0405提高疲劳强度措施06汇报展示准备01断裂韧性定义断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展的能力，反映了材料抵抗脆性破坏的韧性参数，与裂纹的大小、形状及外加应力大小无关。测定方法断裂韧性的测定采用《GB/T38769-2020》标准，通过仪器化冲击试验机对疲劳预制裂纹的夏比试样实施冲击试验，利用断裂力学的方法评价材料的断裂韧性。反映了材料抵抗脆性破坏的韧性参数。影响因素材料热处理工艺材料的热处理工艺直接影响其微观结构，进而影响断裂韧性和疲劳强度。通过控制加热、保温和冷却过程，可以优化材料的机械性能，提高其抗断裂能力。零件表面质量零件的表面质量对其疲劳强度有显著影响。表面粗糙度、缺口和裂纹等缺陷会降低材料的疲劳寿命，因此改善表面处理工艺是提高疲劳强度的关键措施之一。应力集中效应应力集中是导致疲劳断裂的重要因素。设计时应避免尖锐转角和截面突变，以减少应力集中现象，从而提高零件的疲劳强度和使用寿命。02冲击韧性定义冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，通过摆锤冲击试验测定，冲击吸收功越大，材料的韧性越强。冲击韧性的测定依据《GB/T229-2020》，通过一次摆锤冲击试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，摆锤冲断试样时失去的能量即为冲击吸收功K。测定方法冲击试验原理

冲击试验机

冲击吸收功计算摆锤冲击试验原理摆锤冲击试验通过将具有一定质量的摆锤举至一定高度，使其获得势能后释放，利用摆锤下落时对试样的冲击来测定材料抵抗冲击载荷的能力。冲击吸收功计算公式冲击吸收功K是通过摆锤冲断试样前后的高度差计算得出，公式为K=mg(H1-H2)，其中m是摆锤质量，g是重力加速度，H1和H2分别是摆锤起始和终止高度。冲击韧度值指标ak的意义冲击韧度值指标ak是通过将冲击吸收功K除以试样缺口处的截面积S得到的，单位为kJ/m²，用于评估材料在受到冲击载荷时的韧性表现。03疲劳强度疲劳现象及其特点金属材料在交变应力或重复循环应力下会发生疲劳断裂，疲劳断裂具有低应力循环延时、脆性断裂和对缺陷敏感等特点。金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力远小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳（现象）。疲劳断裂是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。裂纹源的形成疲劳断裂的起始点通常位于零件的应力集中区域，这些区域由于材料缺陷或设计不当而成为微裂纹的发源地。随着循环应力的作用，这些微裂纹逐渐扩展，最终导致零件失效。在循环应力的持续作用下，初始裂纹会经历一个缓慢而稳定的扩展阶段，这一阶段占据了疲劳寿命的大部分。裂纹的扩展速率受多种因素影响，包括材料的韧性和应力水平。断裂区的最终形成当裂纹扩展到临界尺寸时，剩余的材料无法承受进一步的应力，导致突然的断裂。这一阶段的断裂通常是瞬时的，且伴随着较大的能量释放，标志着零件的完全失效。裂纹的扩展过程疲劳强度也叫疲劳极限，是金属材料在规定循环周次下未发生失效的最大应力范围，通常对应于107或108次循环。疲劳强度定义注意：金属材料的分类金属材料根据其性质和用途可以分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属主要包括铁、钢等，而有色金属则包括铜、铝等，每种材料都有其独特的物理和化学特性。材料的韧性与脆性材料的韧性是指材料在受到外力作用时能够吸收能量而不发生断裂的能力，而脆性则是材料在受到冲击或拉伸时容易发生断裂的性质，这两种性质决定了材料的应用范围。疲劳强度的重要性疲劳强度是衡量材料在反复应力作用下抵抗疲劳破坏的能力，对于承受周期性载荷的机械零件来说，高疲劳强度意味着更长的使用寿命和更高的安全性。01020304疲劳断裂特点低应力循环延时断裂01疲劳断裂的低应力特性疲劳断裂通常发生在远低于材料屈服强度的应力水平下，这种低应力循环延时断裂的特性使得疲劳成为工程中难以预测和防范的一种破坏形式。寿命与应力的关系金属材料的疲劳寿命与其承受的循环应力大小密切相关，应力越高，疲劳寿命越短；反之，应力越低，疲劳寿命则相应增长，甚至可能达到无限长。疲劳断裂的潜在危险性由于疲劳断裂前无明显的塑性变形预兆，且断口特征明显，显示出裂纹的发生、发展和最后断裂三个阶段，因此疲劳被认为是一种潜在的突发性断裂，具有极大的危险性。0203对缺陷敏感缺口效应缺口效应是指材料中存在的缺口或裂纹会因为应力集中而显著增加疲劳损伤的风险，这种局部的应力集中可以加速疲劳裂纹的形成和扩展。组织缺陷的影响组织缺陷如夹杂、疏松等内部不连续性，会降低材料的局部强度，使得这些区域成为疲劳裂纹优先形成和发展的位置，从而影响整体的疲劳寿命。表面质量与疲劳强度零件的表面质量直接影响其疲劳强度，表面粗糙或有划痕会增加应力集中的可能性，通过改善表面处理工艺，如抛光或涂层，可有效提高疲劳抗力。01020305提高疲劳强度措施结构设计优化避免应力集中设计在结构设计中，通过优化零件的形状和尺寸，减少或消除尖锐角度和突变截面，可以有效避免应力集中，从而提高材料的疲劳强度。表面质量改善策略提高零件的表面光洁度和完整性，如采用抛光、喷丸等方法，可以减少表面缺陷和缺口效应，显著提升材料的抗疲劳性能。表面强化技术应用利用渗碳、氮化等表面处理技术，改变零件表层的物理化学性质，增强其耐磨性和抗腐蚀性，从而延长零件的使用寿命并提高疲劳强度。表面质量改善表面粗糙度降低通过采用高精度的加工技术，如磨削、抛光等，可以显著降低零件的表面粗糙度，从而减少应力集中，提高材料的疲劳强度。表面缺陷修复对于已经存在的表面缺陷，如裂纹、划痕等，可以通过焊接、打磨等方式进行修复，以消除潜在的疲劳源，延长零件的使用寿命。表面强化处理通过渗碳、氮化等表面化学热处理方法，可以在零件表面形成一层硬而脆的化合物层，从而提高表面的硬度和耐磨性，增强其抵抗疲劳的能力。表面处理与强化工艺表面处理技术强化工艺如喷丸、滚压和激光硬化等，通过在材料表面引入残余应力或改变微观结构，显著提升材料的抗疲劳性能和使用寿命。强化工艺应用表面改性技术利用先进的物