工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)jamespschafferchapter-09

1、力學(xué)性能,James P. Schaffer The Science and Design of Engineering Materials (Second Edition),9.1 引言,力學(xué)性能描述的是材料承受力作用時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的行為。,9.2 工程材料的變形與斷裂,9.2.1 彈性變形,9.2.2 聚合物的變形 聚合物的變形與Tg有關(guān) 當(dāng)溫度低于 Tg 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線與金屬和陶瓷的類(lèi)似 當(dāng)溫度高于Tg 滯彈性,彈性模量（更普遍，復(fù)數(shù)） 實(shí)部 虛部：彈性模量損失 用于描述由于機(jī)械阻尼和黏滯過(guò)程導(dǎo)致能量損失的程度。,9.2.3 塑性變形,應(yīng)變硬化 （1）金屬 位錯(cuò)與位錯(cuò)交互作用降低了位錯(cuò)的

2、可移動(dòng)性或者完全阻止了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 （2）聚合物 分子鏈沿應(yīng)力的作用方向排列起來(lái)的結(jié)果。 （3）陶瓷 不存在塑性變形機(jī)制,9.2.4 拉伸實(shí)驗(yàn),真應(yīng)力與真應(yīng)變,9.2.5 強(qiáng)化的機(jī)理,金屬?gòu)?qiáng)化,固溶強(qiáng)化 增加點(diǎn)缺陷 應(yīng)變硬化或者冷作硬化 線缺陷（位錯(cuò)） 晶粒細(xì)化 面缺陷 第二相強(qiáng)化 體缺陷,陶瓷 重點(diǎn)是提高韌性而不是提高其強(qiáng)度 聚合物 抑制分子鏈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)： 增長(zhǎng)分子鏈（包括形成交聯(lián)） 提高結(jié)晶度,9.2.6 韌性斷裂和脆性斷裂 斷裂之前發(fā)生大量塑性變形的材料是韌性材料 斷裂之前發(fā)生少量塑性變形的材料是脆性材料 為什么金屬通常比陶瓷有更好的延展性？,9.2.7 硬度試驗(yàn) 硬度是衡量材料抵抗塑性

3、變形能力的尺度。 維氏硬度 布氏硬度 洛氏硬度,不同的硬度比較,納米壓痕技術(shù),納米壓痕(Nanoindentation)（又稱深度敏感壓痕: Depth Sensing Indentation）技術(shù)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。它可以在不用分離薄膜與基底材料的情況下直 接得到薄膜材料的許多力學(xué)性質(zhì)。例如：彈性模量、硬度、屈服強(qiáng)度、加工硬化指數(shù)等等。 在微電子科學(xué)，表面噴涂，磁記錄以及薄膜等相關(guān)的材料科學(xué)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。,傳統(tǒng)的壓痕測(cè)量是將一特定形狀和尺寸的壓頭在一垂直壓力下將其壓入試樣，當(dāng)壓力撤除后通過(guò)測(cè)量壓痕的斷截面面積，人們可以得到被測(cè)材料的硬度。這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)之一是僅僅能

4、夠得到材料的塑性性質(zhì)。另外一個(gè)缺點(diǎn)就是這種測(cè)量方法只能適用于較大尺寸的試樣。 隨著現(xiàn)代微電子材料科學(xué)的發(fā)展，試樣尺寸越來(lái)越小型化。傳統(tǒng)的硬度測(cè)量技術(shù)無(wú)法滿足新材料研究的需要。此外，材料科學(xué)家們不僅要了解材料的塑性性質(zhì)，而且需要掌握材料的彈性性質(zhì)。近幾年發(fā)展起來(lái)的納米壓痕技術(shù)有效地滿足了科學(xué)家們的這一需要。,9.2.8 擺錘沖擊試驗(yàn) 一些材料在一個(gè)有限的溫度范圍內(nèi)，發(fā)生斷裂時(shí)吸收的能量會(huì)發(fā)生很大的變化，這個(gè)現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變。 并不是所有的材料都存在韌脆轉(zhuǎn)變 如晶態(tài)陶瓷、聚合物、復(fù)合材料、或者FCC結(jié)構(gòu)的金屬通常觀察不到這種轉(zhuǎn)變。某些晶態(tài)陶瓷也顯現(xiàn)出韌脆轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但是轉(zhuǎn)化溫度比較高 表現(xiàn)出明顯的玻

5、璃轉(zhuǎn)化溫度的材料，在TTg時(shí)候通常是脆性的。,不銹鋼中（FCC）中觀察不到韌脆轉(zhuǎn)變,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,脆性區(qū)和韌性區(qū)各占50%時(shí)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,實(shí)例： （1）1988-1989年冬季， 阿拉斯加，大量汽車(chē)軸斷裂事故 （2）泰坦尼克號(hào) 1986年，挑戰(zhàn)號(hào)航天飛機(jī)的O型密封圈問(wèn)題；注意Tg與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的類(lèi)似之處,35,1912年4月10日，泰坦尼克號(hào)從英國(guó)南安普敦（South

6、ampton）出發(fā)，計(jì)劃中的目的地為美國(guó)紐約（New York）。4月14日晚11點(diǎn)40分，泰坦尼克號(hào)在北大西洋撞上冰山（大約在414355.66N 495645.02W附近），兩小時(shí)四十分鐘后，4月15日凌晨2點(diǎn)20分沉沒(méi)，由于只有20艘救生艇，1523人葬身海底，造成了當(dāng)時(shí)在和平時(shí)期最嚴(yán)重的一次航海事故。,鋼鐵也有脆弱的時(shí)候,36,1986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)升空后爆炸，機(jī)上7名宇航員全部遇難。根據(jù)調(diào)查這一事故的總統(tǒng)委員會(huì)的報(bào)告，爆炸是一個(gè)O形橡膠封環(huán)失效所致。這個(gè)封環(huán)位于右側(cè)固體火箭推進(jìn)器的兩個(gè)低層部件之間。失效的封環(huán)使熾熱的氣體點(diǎn)燃了外部燃料罐中的燃料,柔軟的橡膠在低

7、溫下變硬,影響鋼鐵韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素,碳含量對(duì)鋼鐵韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,Mn含量對(duì)鋼鐵韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,42,1988年4月28日，一架阿羅哈Aloha航空的波音737-200型客機(jī)在飛往檀香山國(guó)際機(jī)場(chǎng)途中發(fā)生爆裂性失壓事故，導(dǎo)致約頭等艙部位的上半部外殼完全破損，機(jī)上一名機(jī)組人員墮海失蹤，飛機(jī)最后奇跡地安全迫降茂宜島的卡富魯伊機(jī)場(chǎng)。 艙蓋的強(qiáng)度因嚴(yán)重腐蝕和疲勞而降低,9.3 脆性斷裂,9.3.1 脆性斷裂的實(shí)例,脆性斷裂通常發(fā)生在高強(qiáng)度材料、焊接結(jié)構(gòu)或者鑄造結(jié)構(gòu)中。 所有的失效都是由檢驗(yàn)時(shí)未檢測(cè)到的微小裂紋引起的。 脆性斷裂 （1）微裂紋的生成 （2）裂紋的擴(kuò)展 （3）裂紋達(dá)到臨界尺寸發(fā)生斷裂

8、,9.3.2預(yù)測(cè)脆性斷裂（Griffith-Orowan）,要發(fā)生失穩(wěn)斷裂，與裂紋尺寸相關(guān)的應(yīng)變能的 釋放速率必須至少等于產(chǎn)生新裂紋表面所消耗 能量的速率。,奧羅萬(wàn)假定用一個(gè)稱作有效表面能的參量來(lái)取代格里菲思方程中的真實(shí)表面能。有效表面能是真實(shí)表面能與裂紋擴(kuò)展時(shí)裂紋周?chē)l(fā)生塑性變形所消耗的能量之和。 Griffith-Orowan理論的關(guān)鍵是：欲使裂紋長(zhǎng)大就必須向系統(tǒng)提供能量以生成新的裂紋表面，并在裂紋尖端向前推進(jìn)的前端區(qū)域中使材料產(chǎn)生塑性變形。,9.4 斷裂力學(xué),Griffith-Orowan理論在實(shí)際生產(chǎn)中具有較大的局限性。理想的情況是找一個(gè)表征材料韌性的指標(biāo)，它與幾何形狀無(wú)關(guān)，并通過(guò)應(yīng)力

9、分析來(lái)預(yù)測(cè)斷裂載荷和臨界裂紋尺寸。 （George Irwin）在20世紀(jì)50-60年代創(chuàng)立了斷裂力學(xué)。 存在幾何突變（包括裂紋）位置時(shí)，會(huì)在它附近的局部產(chǎn)生集中。,9.4.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子,（1）各向同性的彈性材料。 （2）參數(shù)K是裂紋尖端區(qū)域中應(yīng)力場(chǎng)大小的量度，稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子。（描述由于裂紋導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度的參量）。 （3）具有相同K值得幾何形狀具有相同的裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)。,9.4.2 試樣厚度的影響 斷裂韌度實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，臨界厚度B與KIc和材料的屈服強(qiáng)度有關(guān),9.4.3 斷裂韌度與拉伸性能之間的曲線 作為設(shè)計(jì)原則，人們通常對(duì)高強(qiáng)度金屬（以及其他高強(qiáng)度材料）比對(duì)韌性金屬更關(guān)心其脆性

10、斷裂失效。,9.4.4 斷裂力學(xué)在各種材料中的應(yīng)用 陶瓷中，裂紋尖端應(yīng)力集中程度與裂紋的幾何形狀有關(guān)：,金屬中（裂紋鈍化機(jī)制）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致裂紋尖端半徑增大，降低應(yīng)力集中程度及裂紋擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力。 陶瓷中不存在裂紋鈍化機(jī)制。,對(duì)于溫度低于Tg的熱塑性聚合物和大多數(shù)的熱固性聚合物，可以應(yīng)用斷裂韌度的概念。 斷裂力學(xué)可以用來(lái)解釋用聚合物制成的防彈背心吸收能量的機(jī)制。,9.4.5 斷裂韌度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗(yàn)方法GB 2038-1991,9.5 疲勞斷裂,疲勞是最普遍的失效機(jī)制，并被認(rèn)為是造成90%結(jié)構(gòu)失效的全部或部分的原因。 零件在交變載荷下經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象就叫

11、作疲勞斷裂。,大型汽輪機(jī) 轉(zhuǎn)子,軸 葉輪 疲勞斷裂破壞,轉(zhuǎn)子軸 疲勞開(kāi)裂 疲勞斷裂破壞,某些材料如尼龍、鋁、銅以及其他FCC結(jié)構(gòu)的金屬材料中不存在明確的疲勞極限。 條件疲勞極限,低周疲勞：壽命少于104次循環(huán)的過(guò)程 高周疲勞：壽命大于104次循環(huán)的過(guò)程,旋轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn),疲勞強(qiáng)度與其他力學(xué)性能之間的關(guān)系 抗拉強(qiáng)度與疲勞極限之間：,金屬疲勞損傷是由局部的晶體滑移過(guò)程所引發(fā)的。局部塑性變形是產(chǎn)生疲勞裂紋的必要條件，所以陶瓷材料具有很高的抗疲勞斷裂能力。,疲勞斷裂的預(yù)防： （1）降低構(gòu)件所承受的應(yīng)力范圍。 只要在設(shè)計(jì)時(shí)避免出現(xiàn)尖銳的拐角，以及螺栓和鉚釘孔等引起應(yīng)力升高的因素。 （2）表面處理 不是所有的表層處理都能夠改善抗疲勞能力 光滑、噴丸、表面滲碳,9.6 時(shí)間相關(guān)的行為,在侵蝕性環(huán)境中或在高溫條件下，材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其斷裂行為都顯示出時(shí)間相關(guān)性。,1 環(huán)境誘導(dǎo)的斷裂 侵蝕性的環(huán)境會(huì)降低結(jié)構(gòu)材料的承載能力。 環(huán)境誘導(dǎo)失效不限于金屬。 2 金屬和陶瓷的蠕變 蠕變就是材料在載荷作用下隨時(shí)間而伸長(zhǎng)的過(guò)程。 蠕