材料工程基础-呢第7章 机械失效与防护.ppt
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1、机械失效与防护,韧性断裂,特征:断裂前产生明显宏观塑性变形。,脆性断裂,特征:断裂前没有明显的塑性变形,断裂面一般与正应力垂直,断口呈平齐状。,1、裂纹的起源,1、裂纹的起源,1、裂纹的起源,1、裂纹的起源,由不同号刃型位错群消毁而形成裂口胚芽的示意图,2、裂纹遇到第二相颗粒,塑性断裂,有韧窝。,脆性断裂,无韧窝。,2、裂纹遇到第二相颗粒,塑性较好的材料:一旦产生裂纹,裂纹尖端就会通过萌发位错的形式得到钝化,抑制裂纹的生长。但是,在第二相颗粒处,由于第二相颗粒特别“硬”,无法萌发位错,所以裂纹将沿颗粒边界扩展,形成韧窝。,塑性断裂,有韧窝。,2、裂纹遇到第二相颗粒,脆性断裂,无韧窝。,脆性材料
2、: 不管是否有第二相颗粒,裂纹都会以很快的速度迅速扩展。故而不会因为第二相的原因而形成韧窝。,2、裂纹遇到第二相颗粒,3、裂纹与晶界,按裂纹走向来分:穿晶断裂VS沿晶断裂,3、裂纹与晶界,Ts,3、裂纹与晶界,沿晶断裂,3、裂纹与晶界,沿晶断裂的原因大致有: A、晶界存在连续分布的脆性第二相 B、微量有害杂质元素在晶界上偏聚 C、由于环境介质的作用损害了晶界,如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。,3、裂纹与晶界,穿晶断裂,也涉及到裂纹的扩展。由于晶体具有各向异性,裂纹通常沿特定晶面扩展:解理面。,3、裂纹与晶界,河流状花样:,3、裂纹与晶界,河流状花样:若干解理台阶汇合而成河
3、流状花样。,解理台阶:相互平行且位于不同高度的解理面连接形成的台阶。,4、周期应力下的断裂,疲劳断裂,80%以上的断裂失效 是疲劳破坏;,疲劳是工件在变动载荷和应变 长期作用下, 损伤累积引起的 低应力突然脆性断裂现象。,4、周期应力下的断裂,1、是一种突发性破坏,疲劳破坏前无明显的塑变 脆性断裂 2、低应力延时断裂,疲劳强度屈服强度。,3、对缺陷十分敏感:,缺口、裂纹应力集中, 加大损伤; 组织缺陷(夹杂物、疏松) 局部强度降低。,疲劳源,断裂区,扩展区,车轴疲劳断口宏观形貌,实际材料中,位错数量非常庞大,各位错所处环境不同,所以驱动各位错所需应力也不相同。最容易驱动的位错,和单晶的情况,差
4、异不大。,所需驱动力,所占比例,断裂,扩展,裂纹萌生,疲劳裂纹的萌生(3种主要形式),驻留滑移带开裂,晶界开裂,夹杂物/第二相 开裂,驻留滑移带开裂,在低应力(s)交变载荷作用下,表面 局部薄弱区域极不均匀塑变,滑移带加深。 抛光可反复出现,称为驻留滑移带(Persist Slip Band)。,“三明治”: 硬基体夹着软心的滑移带。 驻留滑移带中出现疲劳裂纹。,挤出脊和侵入沟:,交变应力下,位错源沿不同方向交替激活。 挤出脊和侵入沟加深尖锐缺口应力集中疲劳裂纹。,提高材料的滑移抗力(固溶强化、细晶强化) -阻止裂纹萌生。,参见“裂纹形核的位错模型”。 第二相夹杂物:少、小、匀、圆。,相界面开
5、裂 (第二相、夹杂与基体、夹杂物本身),晶界开裂: (参见“位错塞积形成裂纹”),减少晶界夹杂物、偏析,晶界强化、净化、细化晶粒 抑制裂纹萌生、提高疲劳抗力。,1. 第I阶段,受切应力控制,扩展极慢。,疲劳裂纹的扩展(2个阶段),微裂纹沿最大切应力 方向(与拉应力呈45) 向内发展;,光滑试样; 尖锐缺口试样; 哪个此阶段长?,第阶段,与最大拉应力垂直扩展,快速扩展疲劳条纹(带) 韧性条带(韧性材料)和脆性条带(脆性材料),TEM,最大拉应力受局部环境的影响,所以形成疲劳条纹,疲劳 条纹,疲劳条纹间距表示裂纹扩展速率, 间距越宽、扩展速率越大。 简单情况下,条带间距=裂纹伸长量循环一周; 复杂
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