材料工程基础-第7章机械失效与防护

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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

2、性材料：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Ts3、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

3、阶汇合而成河流状花样。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。大型汽轮机转子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。

4、最容易驱动的位错，和单晶的情况，差异不大。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（σ≤σs)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(PersistSlipBand)。“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。硬软硬挤出脊和侵入沟：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

5、模型”。第二相夹杂物：少、小、匀、圆。相界面开裂（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Ⅱ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

6、大。简单情况下，条带间距=裂纹伸长量／循环一周；复杂载荷下，不一定每一循环都产生条带，裂纹可能不扩展。第Ⅰ阶段通常看不到条带；裂纹传播速率较慢，条纹间距很小（＜0.01μm）高强Ni合金，塑性好，可看到疲劳条纹。第Ⅱ阶段：条纹间距较大(0.1μm)。韧性疲劳条带的典型形貌疲劳条带特征x550略呈波浪形、基本平行的纹路；条带清晰。裂纹扩展，变动的载荷在前沿形成贝壳状或海滩状条纹。疲劳区贝纹线：特征凹凸疏密应力小，韧性好→→疲劳区大。大小近疲劳区：密集疲劳条带与贝纹线的区别？疲劳条带----疲劳断口典型的微观特征。贝纹线----疲劳断口的宏观特征。贝纹线与

7、疲劳条带不一定同时出现。2条贝纹线间有成千上万条疲劳条带。疲劳源断裂区扩展区车轴疲劳断口宏观形貌工作条件表面状态及尺寸因素表面处理材料因素影响因素载荷条件载荷频率环境温度环境介质应力状态应力比过载情况次载情况平均应力尺寸效应表面粗糙度缺口效应表面喷丸及滚压表面热处理表面涂层化学成分组织结构各向异性内部缺陷影响材料疲劳强度的因素影响材料疲劳强度的因素☆温度钢疲劳强度与温度的关系100200300400500600温度(℃)疲劳极限(Mpa)含C0.58％钢拉压含C0.16％钢扭转温度对疲劳强度的影响规律为：对钢来讲，在200℃～400℃范围内疲劳极限会出

8、现峰值.温度:扩散析出强化软化200℃400℃影响材料疲劳强度的因素☆表面状态：在循环载荷