材料的断裂和控制

材料的断裂和控制材料的断裂和控制 名词解释1 应力场强度因子反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量 称为应力强度因子 2 能量释放率G能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长 度时 平板每单位厚度所释放出来的能量 3 断裂韧性断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力 是度量材料的 韧性好坏的一个定量指标 4 有效裂纹长度由于裂纹尖端塑性区存在 会降低裂纹体的刚度 相当于裂纹长度增加 采用虚拟的有效裂纹代替实际裂纹 其长度 为有效裂纹长度 5 小范围屈服塑性区尺寸较裂纹尺寸a及净截面尺寸为小时 小一个 数量级以上 即小范围屈服 6 低应力脆断指有些高强度钢制造的零件 中 低强度钢制造的大 零件 往往在工作应力远低于屈服强度时发生的脆性断裂 7 CTOD裂纹临界张开位移 8 表示裂纹尖端张开位移 用来测试材料的韧度 韧性的度量 9 积分有两种定义或表达式 一是线积分 二是形变功率差 10 型裂纹张开型裂纹指的是正应力垂直于裂纹面 扩展方向和 正应力垂直 11 柔性系数在各种加载条件下 最大切应力和正应力的比值称为 应力状态的柔性系数 也叫软性系数 即 即 12 解理断裂裂纹沿解理面 低指数面 如c b为 100 面 扩展而使晶体沿解理面分裂的一种脆性断裂方式 13 沿晶断裂裂纹沿多晶体的晶界发展而引起的断裂 14 穿晶断裂裂纹穿过晶粒扩展引起的断裂 15 准解理断口既没有沿晶特征也没有解理特征 即找不到河流 扇 形 舌状花样 的脆性断口 16 无位错区裂尖前方位错密度等于零的区间 即无位错的区间 17 位错像力自由表面吸引位错的力 18 位错塞集位错运动遇到障碍 晶界 第二相粒子以及不动位错等 如果其向前运动的力不能克服障碍物的力 位错就会停在障碍 物面前 由同一个位错源放出的其他位错也会被阻在障碍物前的现 象 19 反塞积群离裂尖越远 位错越稀疏 即位错反塞积在无位错区的 尾端 称为反塞积群 20 疲劳断裂由于在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹 裂 纹随后扩展导致的断裂 21 贝纹线疲劳断裂的工件中由于交变应力使裂纹扩展 在裂纹源和 瞬断区之间形成像贝壳表面的同心圆弧线 裂纹前沿线弧状台阶痕 迹 像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线 22 疲劳极限经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值 23 驻留滑移带用电解抛光的方法很难将已产生的表面循环滑移带去 除 当对式样重新循环加载时 则循环滑移带又会在原处再现 这种 永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带 24 高周疲劳在应力较低 应变交变频率较高情况下产生的疲劳 25 应力比也叫应力循环对称系数 是对试件加载时的最小应力和最 大应力之比 26 应力腐蚀开裂材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的 开裂 27 阳极溶解型若应力腐蚀阴极反应是吸氧或者虽然是放氢 但进入 试样的氢低于氢致开裂的临界值的应力腐蚀 28 活性通路在合金中存在的一条易于腐蚀的 大致连续的路线 29 临界应力强度因子 30 氯脆奥氏体不锈钢在含奥氏体不锈钢在含 的溶液环境中发生 脆断的简称 31 硫脆硫化物导致奥氏体不锈钢的应力腐蚀 32 碱脆碳钢在高温碱性溶液中及拉应力 残余的 外部的 作用下 的脆性断裂 33 沿晶应力腐蚀开裂材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引 起的沿晶开裂 34 穿晶应力腐蚀开裂材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引 起的穿晶开裂 35 氢脆氢进入材料内部而引起材料的塑性下降的现象 也称氢损伤 36 氢陷阱指钢中富集了氢的缺陷的位置 37 晶格弱化机制当氢进入金属中时 固溶的氢使晶格膨胀 导致原 子的键合力下降 使得晶格弱化 在比较低的外力作用下便使材料 开裂 从而产生氢脆 38 位错引起的附加应力强度因子 裂纹发射位错的临界应力强度因子 裂纹形核的临界应力强度因子 裂纹尖端的有效应力强度因子 外加应力强度因子 临界应力强度因子 简答1 为什么裂纹尖端会发生应力松弛 裂纹尖端附近存在着小范 围的塑性区 以裂纹尖端为圆心 半径为0r0的圆形区域 材料屈 服后 多出来的应力将要松弛 使使0r0前方局部地区的应力升高 又导致这些地方发生屈服 即屈服导致应力松弛 2 K K G G和和J J的关系 三个参量可以互相替换 各自的断裂判据是等效的 对 型裂纹 其中平面应力状态 其中平面应力状态 平面 应 平面应变变 3 说明说明 与与 的意义及其相互关系 为平面应力下裂纹临界或失稳状态的应力场强度因子 称为所裂 韧性 为平面应变下的断裂韧性 通常情况下 通常情况下 4 断裂力学中 按受力及扩展途径裂纹的分类及其特点 三种类型 张开型 剪切型 撕裂型 型拉应力垂直于裂纹扩展面 型裂纹扩展受切应力控制 切应力平行作用于裂纹面且垂直于裂 纹线 裂纹扩展受切应力控制 切应力平行作用于裂纹面且垂直于裂纹线 型平行于裂纹面而与裂纹前沿线方向平行的剪切力作用 平行于裂纹面而与裂纹前沿线方向平行的剪切力作用 5 说明说明 的意义 指出其适用的条件 裂纹在弹塑性条件下发生失稳扩展的临界裂纹张开位移 测量裂纹 在弹塑性条件下发生失稳扩展的临界裂纹张开位移 测量 的试样 厚度和构件应该相同 6 说明说明 的意义 指出其适用的条件 型裂纹失稳扩展的临界能量释放率 适用于脆性材料 7 说明提高材料强韧性的热处理工艺 亚温淬火 超高温淬火 形变热处理 8 为什么平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态小 当 为什么平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态小 当 时 他们的塑性区尺寸分别等于多少 在平面应变状态下 沿板 厚方向 Z方向 的弹性约束是裂纹尖端材料处于三向拉应力作用下 三向拉应力状态会对塑性流动起约束作用 即不易发生塑性变形 所以平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态的小 当当 时平面应力状态时平面应力状态 平面应变状态平面应变状态 或或 9 有一大型厚板构件 构件 材料的屈服强度有一大型厚板构件 构件材料的屈服强度 1200MP a 断裂韧度 断裂韧度 115MPa 115MPa 经探伤发现 厚板构件中存在长度m2a 20mm的中心穿透裂纹 若构 件在平均轴向拉应力为a900MPa的条件下工作 试着择合适的公式计算的条件下工作 试着择合适的公式计算 以及塑性区尺寸寸 并判断该构件安全 附附 解 已知中心穿透裂纹的长度为已知中心穿透裂纹 的长度为22 20mm 于是 于是 10mm 且由于构件为大型厚板 属平面应变状态 11 已知该材料的屈服强度 已知该材料的屈服强度 1200MPa 而构件的工作应力为900MPa 考虑到 0 75 0 7 需要 需要 进行修正 所以裂纹前端的应力场强度因子正 所以裂纹前端的应力场强度因子 可按下式计算可按下式计算 168 1 MPa MPa 22 由于在平面应变下 裂纹前端的塑性区尺寸为面应变下 裂 纹前端的塑性区尺寸为 于是该构件裂纹前端的塑性区尺寸于是该构件裂纹前端的塑性区尺 寸 为为 2 2 mm 33 由于 由于 168 1MPa 168 1MPa 所以 该构件不安全 10 已知一个构件的工作应力已知一个构件的工作应力 800 裂纹长度 裂纹长度2a 4mm 应力场强度因子 应力场强度因子 钢材 钢材 和和 的变化趋势如下 若按照屈服强度计算的安全系数n 1 45 使者确定材料的热处理状态 附下表 回火温度 600500400300200 11451xx3001400150 0 MPa 10885705545解 1 应力场强度因子应力场强度因子 可按下式计算 71 55 MPa MPa 据 依据K K判据判据 因为因为 71 55 所以0600和和500 符合要求 22 强度判据 强度判据 1 45 800 1600 1 45 800 1600 MPa 所以只有500 回火处理符合要求 11 有一厚板状的工程构件 使用钢的有一厚板状的工程构件 使用 钢的 80MPa 80MPa 和 和 800 800 该构件的工作应力为 400 在例行检测中发 在例行检测中发现一长为m40mm的中心穿透裂纹 完成以下问题 附 的中心穿透裂纹 完成以下问题 附 1 说明说明 的 物理意义 是裂纹发生快速扩展的临界应力强度因子 当是裂纹发生快速扩展 的临界应力强度因子 当K 裂纹发生快速扩展 2 试判断该结构的安全性 构件的应力强度因子构件的应力强度因子 400 1 77 100 13 MPa MPa 80 所以结构不安全3 如果不对结构进行 维修 如何保证结构使用安全 降低构件所承受的外力 不超过降 低构件所承受的外力 不超过 320 MP a 12 说明解理台阶的性质 P40裂纹扩展过程中发生合并或消失 相同方向的台阶合并后高度增 加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶的高度与位错柏 氏矢量和位错密度之间存在一定的关系 13 说明韧性断裂和脆性断裂的区别 p30断裂前有明显的塑性变形 微观为韧窝特征 脆性断裂前几乎没 有塑性变形 微观为解理特征 14 说明韧性断裂产生的条件 基本特征和典型的微观形貌 P36当外力首先达到材料的屈服强度 位错运动 产生明显的塑性变 形 韧性断裂时 材料 试样 将产生明显的塑性变形 拉伸试样形 成杯锥状断口 断口有相当比例的纤维区 裂纹是通过微孔形核 长大形成微裂纹 韧性断裂的典型形貌是韧窝 在韧窝底部可观察 到第二相粒子 因受力条件不同有拉长韧窝等 15 说明解理断裂产生的条件 基本特征和典型的微观形貌 P39产生条件有解理面 应力集中大于解理断裂强度 基本特征解理台阶 典型微观形貌河流花样 扇形花样 羽毛状花样 16 说明变温引起的韧 脆转变现象 对比光滑试样和缺口试样拉伸断裂的韧脆性 P49当温度降低时 材料由韧性的断裂转变为脆性的断裂的现象 材料的冲击韧性明显减低 存在一个韧 脆转变温度 缺口试样比光滑试样呈现更大的脆性 17 说明微裂纹的形核方式 P54位错滑移形成微裂纹 微孔聚合形成微裂纹 空位聚合成空洞形 成微裂纹 位错塞积形成微裂纹 位错反应形成微裂纹 应力集中 使原子键断裂形成微裂纹 18 说明位错塞集形成微裂纹的机制 P56运动的位错遇到障碍物 第二相 晶界等 产生位错塞积 在障 碍物前方产生应力集中 应力集中达到材料解理面的断裂强度 使解理面开裂 导致微裂纹 形成 19 说明位错反应形成微裂纹的机制 P5719 BCC结构的晶体 两个相交滑移面运动的位错相遇 发生位错 反应 形成刃型位错 在解理面 001 产生应力 当应力达到解理面的断裂强度 导致晶体沿解理 面分离 20 写出位错像力的表达式 P59 1 刃型位错刃型位错 2 螺型位错螺型位错 21 说明疲劳断裂的主要特点 零件承受的应力低于材料的屈服强度 承受的载荷是交变载荷 发 生脆性断裂 往往突然发生 危险性很大 22 画出疲劳裂纹速率曲线 并说明每个阶段的特征及寿命估算方法 P109 区低速率区 该区域内 随着应力强度因子 K的降低 裂纹 扩展速率迅速下降 区中速率区 此时 裂纹扩展速率一般在10 5 10 3mm cycle 区高速率区 在这一区域内 da dN大 随着 K的升高 裂纹扩展速率升高 寿命估算方法a Paris公式dadN C 适用于中部区 b Forman公 式dadN C 1 适用于中部区和快速扩展区 c dadN 适用于近门槛区和中部区 d dadN 1 描述整个裂纹速率曲线 23 西出光滑试样的疲劳寿命 S N 曲线 说明疲劳极限的测试方法 指出疲劳失效的一般过程 微 裂纹的形成方式 说明疲劳裂纹扩展的典型微观机制 S N曲线 疲劳极限的测定采用单点试样法或者升降法 单点试样法理想情况 下最少可采用两个试样确定疲劳极限 根据断裂和不断裂试样的应 力幅求加权平均值 升降法是单点法的多次重复 p81在交变应力作用下 首先在试样 机件 表面形成疲劳裂纹 疲劳 裂纹发生第 阶段扩展 裂纹和试样的轴线呈45 然后和与试样 轴线垂直的方向扩展 当裂纹长度到达临界值或裂纹尖端的 达到 裂纹快速扩展试样断裂 P80表面滑移带开裂 决定了疲劳裂纹从构件或试样的表面萌生 夹 杂物开裂与基体相界面分离 疲劳裂纹会从试样内部萌生 晶界或 亚晶界开裂 疲劳辉纹 疲劳条带 这种辉纹常常是用来判断零件是否疲劳断裂 的有力依据 另外 疲劳裂纹扩展也会出现解理 韧窝 沿晶断裂 24 画出典型疲劳宏观断口的示意图 并说明每个区的特征及疲劳裂 纹萌生的方式 疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地 是疲劳破坏的起点 多处 于机件的表面 源区的断口形貌多数情况下比较平坦 光亮 且呈 半圆形或半椭圆形 疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域 该区 是判断疲劳断裂的最重要特征区域 其基本特征是呈现贝壳花样或 海滩花样 它是以疲劳源区为中心 与裂纹扩展方向相垂直的呈半 圆形或扇形的弧形线 又称疲劳弧线 与其它两个区相比 瞬断区的明显特征是具有不平坦的粗糙表面 而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区 有时光亮区仅为疲劳源区 疲劳微裂纹的萌生有三种方式 表面滑移系开裂 夹杂物与基体相界 面分离或夹杂物本身断裂 晶界或亚晶界开裂 25 指出疲劳宏观断口的特征 并说明疲劳贝纹线和疲劳条带的区别 包括疲劳源 裂纹扩展区和快速扩展区 贝纹线疲劳断口的前沿线是机器启动或停止 或超载造成的 贝纹 线是疲劳宏观断口观察的痕迹 疲劳条带是稳定扩展区的微观形貌 26 说明影响材料疲劳性能的因素载荷形式尺寸效应表面光洁度表面 处理27 说明应力腐蚀敏感性的评价方法 p133电化学方法电位范围 极化测试法 电位快慢扫描比较法 临界开裂电位 的预测 力学方法静载荷试验法 断裂力学法 慢应变速率法 应变电极法 28 采用钝化膜破坏理论说明应力腐蚀裂纹的萌生 p122大多数材料和特定环境组成的应力腐蚀体系 具有明显的钝化 现象 材料表面形成钝化膜 在一定的电化学电位条件下 钝化膜 破裂 在材料表面产生点腐蚀 当腐蚀坑形成后 破坏了试样表面 的几何连续性 从而在腐蚀坑底部产生应力集中 虽然试样所承受 的名义应力比较低 但由于应力集中腐蚀坑底部的应力超过材料的 屈服强度 材料发生局部的塑性变形 即腐蚀坑底部形成滑移台阶 这些滑移台阶作为阳极 加速腐蚀 在应力和阳极溶解的共同作 用下 导致裂纹的萌生 29 简述应力腐蚀三阶段理论 p129 1 材料表明生成钝化膜或保护膜 全面腐蚀率相对地非常低 使腐 蚀只发生在高度局部的区域 2 保护膜局部开裂 形成孔蚀或裂纹源 3 裂纹内环境发生了关键性的变化 裂纹向纵深扩展 而不是在表 面径向扩展 30 简述氢使材料变脆的途径 p128氢原子进入金属空穴 生成氢气 造成高压氢 使材料承受载 荷能力下降 氢扩散到蚀坑或裂纹尖端三轴应力区 使材料结合力 下降 生成脆性氢化物 裂尖吸附氢 降低表面能 使材料易于开 裂 31 说明氢脆的氢压机制 p150进入金属中的氢原子在氢陷阱聚集 复合成氢气 2 2 2 在局部产生压力 当局部的氢压等于原子的键合力 则使局部地 区的原子键断裂 形成微裂纹 32 画出应力腐蚀裂纹扩展曲线 说明应力腐蚀裂纹护展速率与裂纹尖 端应力强度因子的关系 指出不发生应力腐蚀的条件 分为3个阶段 阶段 应力腐蚀裂纹扩展速率da dt