材料研究的其他问题课件

材料研究的其他問題

提要：在以往各章中，我們所討論的問題均是以常溫、靜載為前提條件的。如果構件的工作條件為高、低溫或者受到動荷載作用，其力學性能將發生很大的變化。(1)材料在交變應力作用下的疲勞破壞與疲勞極限。由於疲勞破壞是突然發生的，構件破壞時的最大工作應力遠低於材料的屈服極限，因此，我們需要研究材料的疲勞極限。(2)材料在動荷載作用下的力學性能。構件承受動荷載作用時，應變速率較大，其強度極限比承受靜載高，屈服階段不明顯，塑性降低。在寒冷工作條件下，鋼材應變的時效效應將降低鋼板的韌性，很可能發生脆性斷裂。因此，我們需要研究塑性材料阻止脆性斷裂的能力，即衝擊韌性。(3)材料在長期高溫以及恒定荷載作用下的蠕變現象。由於材料在長期高溫以及恒定荷載作用下的塑性變形將隨著時間的增長而不斷發展，將逐步取代其初始的彈性變形，所以使材料中的應力隨時間的增長而逐漸降低。這就是應力鬆弛。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限一.材料在交變應力下的疲勞破壞與疲勞極限金屬材料的疲勞破壞在工程中，有些構件內的應力隨時間做交替變化。例如，吊車梁在可變荷載作用下，構件內的應力隨時間而交替變化。又如，車軸所受的荷載雖不隨時間改變，但是，由於車軸本身在旋轉，橫截面上除軸心外任一點的位置雖時間而改變，因此，該點的彎曲應力也隨時間做週期性的變化。這種隨時間作交替變化的應力，稱為交變應力(alternatingstress)。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限像鐵絲被反復彎折一樣，鋼材等金屬材料在受到一次加力後而不破壞，但是當受到多次反復加力的作用後發生破壞，這種現象就是疲勞破壞(fatiguefailure)。機器以及結構物發生破壞的原因約70%～80%是由疲勞破壞引起的。而疲勞破壞發生時，材料的最大工作應力遠低於其屈服極限，沒有明顯的塑性變形。由於發生的是突然的斷裂破壞，往往引起重大事故的發生，給社會帶來很大的危害。因此對金屬疲勞破壞機理的闡明以及以此作為基礎建立強度設計方法、壽命預測方法和疲勞破壞防止方法是非常重要的。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限圖12.1材料疲勞破壞斷口分區示意圖交變應力作用下的疲勞破壞全然不同於靜荷載作用下的破壞，其主要特徵為：①構件內的最大工作應力遠低於其靜荷載作用下屈服強度或極限強度；②即使是塑性較好的鋼材，疲勞破壞也是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發生的；③疲勞破壞的斷口表面呈現兩個截然不同的區域，一是光滑區，另一是晶粒狀的粗糙區，如圖12.1所示。近代的實驗研究結果表明，疲勞破壞實質上是金屬材料在交變應力的反復作用下，由於內部微小的缺陷或應力集中而產生塑性變形，萌生裂紋，隨著外力的反復作用次數的增加，微小的裂紋逐漸擴展，最後導致材料的開裂或破壞。通常所說的疲勞斷裂是指微觀裂縫在連續反復的荷載作用下不斷擴展直至脆性斷裂(brittlefracture)。因此，疲勞破壞是由疲勞裂紋源的形成、疲勞裂紋的擴展和最後的脆斷三個階段所組成的破壞過程。疲勞裂紋源的形成：金屬內部結構並不均勻，從而造成應力傳遞的不平衡，有的地方會成為應力集中區。與此同時，金屬表面的損傷以及金屬內部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在足夠大的交變應力持續作用下，金屬材料中最不利位置處的晶粒沿最大切應力作用面形成滑移帶，迴圈滑移也會形成微觀裂紋。這種斜裂紋擴展到一定深度後，就會轉為沿垂直於最大主應力方向擴展的平裂紋，從而形成宏觀裂紋。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限疲勞裂紋的擴展：當應力交替變化時，裂紋兩側表面的材料時而壓緊，時而張開。由於材料的相互反復壓緊，就形成了斷口表面的光滑區域。因此，在最後斷裂前，光滑區域就是已經形成的疲勞裂紋擴展區。疲勞破壞的最後階段：位於疲勞裂紋尖端區域內的材料處於高度的應力集中狀態，而且通常是處於三向拉伸狀態下，所以，當疲勞裂紋擴展到一定深度時，材料中能夠傳遞應力的部分越來越少，在正常的最大工作應力下也可能發生驟然的擴展，當剩餘截面不能繼續傳遞應力時，就會引起材料剩餘截面的脆性斷裂。斷口表面的粗晶粒狀區域即為發生脆性斷裂的剩餘截面。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限2.交變應力的基本參量交變應力下的疲勞破壞與靜應力下的破壞截然不同，因此，表徵材料抵抗破壞能力的強度指標也不同。而且，金屬的疲勞破壞與交變應力中的應力水準、應力變化情況以及應力迴圈次數等有關。為此，先介紹描述交變應力變化情況的基本參量。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限設一簡支梁上放置重量為Q的電動機，電動機轉動時引起的干擾力為，梁將產生受迫振動。如圖12.2所示，梁跨中下邊緣危險點處的拉應力將隨時間按正弦曲線變化，這種應力隨時間變化的曲線，稱為應力譜(stressspectrum)。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限圖12.2梁振動時的交變應力12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限梁中危險點的應力，在某一固定的最大值與最小值之間做週期性的變化。應力變化的一個週期稱為一次應力迴圈(stresscycle)。完成一次應力迴圈所需要的時間稱為一個週期T。應力迴圈中最小應力與最大應力的比值，稱為交變應力的應力比(stressratio)或迴圈特徵，用r表示，即

(12.1)最大應力與最小應力差值的二分之一稱為應力幅(stressamplitude)，表示交變應力中的應力交替變化程度，即

(12.2)

12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限最大應力與最小應力代數和的平均值稱為平均應力，用表示

(12.3)若與大小相等，符號相反，則應力比

(12.4)

時的情況稱為對稱迴圈(symmetricalcirculation)。除對稱迴圈外，其餘應力迴圈都稱為非對稱迴圈(unsymmetricalcirculation)。若非對稱迴圈中的，則其應力比，這種情況稱為脈動迴圈(pulsatilecirculation)。構件在靜應力作用下，各點處的應力保持恒定，均為。若將靜應力視為交變應力的一種特殊情況，則其應力比為。以上點的應力若為切應力，則以代替。此外，值得注意的是，最大應力和最小應力都是帶正負號的，這裏以絕對值較大者為最大應力，並規定為正，而與正號應力反向的最小應力則為負號。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限3.疲勞極限金屬材料在交變應力作用下，當其最大工作應力遠低於屈服極限時，就可能發生疲勞破壞。因此，靜載作用下測定的屈服極限或強度極限已不能作為其強度指標，疲勞的強度指標應重新測定。

疲勞強度(fatiguestrength)除與材料本身的性能有關外，還與變形形式、應力比和應力迴圈次數有關。疲勞強度可用疲勞試驗來測定，如材料在對稱迴圈彎曲時的疲勞強度可以按GB4337—84旋轉彎曲疲勞試驗來測定。顯然，試樣所受交變應力中的最大應力越高，疲勞破壞所經歷的應力迴圈次數N就越低。試樣疲勞破壞所經歷的應力迴圈次數，稱為材料的疲勞壽命(fatiguelife)。降低最大應力，疲勞強度將會提高，當最大應力降低至某一數值時，試樣可經歷無限次應力迴圈而不發生疲勞破壞，相應的最大應力值稱為材料的疲勞極限(fatiguelimit)，並用表示。下標r表示交變應力的應力比。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限

12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限二.材料在對稱與非對稱迴圈交變應力下的疲勞破壞與疲勞極限1.材料在對稱迴圈下的疲勞極限在對稱迴圈的交變應力下，材料的疲勞極限是通過一組試件在疲勞實驗機上進行疲勞實驗來測定的。用同一種鋼材將材料加工成d=7～10mm、表面光滑的圓截面試樣。

試驗時，首先取第一根試樣放在旋轉彎曲疲勞試驗機上，在試驗過程中將試件不斷旋轉，因此，試件表面任一點的應力都在最大應力和最小應力之間周而復始的變化。使第一根試樣的最大應力較高，經歷次迴圈後，試樣發生疲勞破壞。稱為應力為時的疲勞壽命。

再取第二根試樣，使其應力略低於第一根試樣，經歷次迴圈後，試樣發生疲勞破壞。依次降低應力水準，得出全組試樣相應的疲勞壽命。整理試驗結果可得到作用在材料上的交變應力的最大值和疲勞破壞關係的S―N曲線(S代表正應力或切應力)，它是疲勞強度設計的基礎數據，稱為迴圈基數。如果鋼鐵材料在完成次的應力迴圈的疲勞試驗後不發生疲勞破壞，就被認為永遠不會發生疲勞破壞，此時的最大應力值稱為鋼材的疲勞極限。結構物就是以疲勞極限作為基準進行疲勞設計的。可是最近十幾年來，在承受次的應力迴圈以前被認為擁有疲勞極限的材料，在超過次的應力迴圈以後的超長壽命區，被發現也有可能發生疲勞破壞。因此現行的壽命預測方法和設計規範已經不能滿足超長壽命機械設備的使用要求。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限

另外，將有限的資源長期充分地使用也是對社會持續發展的保障。因此超長壽命疲勞行為的研究是最近金屬材料研究的一個重要的課題。對於銅、鋁等有色金屬及其合金材料，由於其S―N曲線沒有明顯的水準直線部分，因此，我們一般規定一個迴圈基數，來測定其對應的最大應力作為這類材料的條件疲勞極限，用表示。2.材料在非對稱迴圈下的疲勞極限12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限在對稱迴圈的交變應力下，r=-1，而在非對稱迴圈的交變應力下，可以在給定的應力比r值下進行疲勞試驗，求出相應的S―N曲線。利用S―N曲線便可以確定不同r值下的疲勞極限。非對稱迴圈的交變應力可以看成：在一個應力迴圈中的平均應力的基礎上疊加一個應力幅為的對稱迴圈的交變應力。選取以平均應力為橫軸，應力幅為為縱軸的坐標系如圖12.3所示，對應任一個應力迴圈，由其、便可在坐標系中確定一個對應的P點。若把一點的縱、橫坐標相加，就得到該點所代表的應力迴圈的最大應力，即12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限圖12.3疲勞極限曲線由原點到P點作射線OP，其斜率為12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限由此可見，迴圈特徵r相同的所有應力迴圈都在同一射線上。離原點越遠，縱、橫坐標之和越大，應力迴圈的也越大。顯然，只要不超過同一迴圈特徵r下的疲勞極限，就不會出現疲勞破壞。所以，在每一條由原點出發的射線上，都有一個由疲勞極限確定的臨界點。

(12.6)

(12.7)對於對稱迴圈，，，，表明與對稱迴圈對應的點都在縱軸上，由在縱軸上確定對稱迴圈的臨界點A。對於靜載，，，，表明與靜載對應的點都在橫軸上，由在橫軸上確定靜載的臨界點B。對於脈動迴圈，，由式(12.6)可知，，表明與脈動迴圈對應的點都在45°的射線上，與其疲勞極限相應的臨界點為C。總之，對任一迴圈特性r，都可確定與其疲勞極限相應的臨界點。將A、B、C點連成光滑曲線即為疲勞極限曲線，如圖12.3所示曲線。在座標平面內，由疲勞極限曲線與坐標軸所圍成的區域內的點，它所代表的應力迴圈的最大應力必然小於同一迴圈特徵r下的疲勞極限，因此，不會引起疲勞破壞。12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限

12.1材料的疲勞破壞與疲勞極限由於實際構件的外形、尺寸、表面品質以及工作環境與試樣不同，因此都將影響疲勞極限的數值。可以分別通過應力集中係數、尺寸係數、表面品質係數等修正係數來反映。然後再考慮適當的安全係數來確定構件的疲勞許用應力。在建立疲勞強度極限時，則對名義應力進行計算。對於焊接鋼結構構件及其連接，往往需要考慮焊接殘餘應力的影響，因為鋼結構的疲勞裂紋一般從焊縫處產生和發展。因此，在疲勞計算中，按照應力幅來建立疲勞強度條件，包括常幅疲勞和變幅疲勞。在鋼結構設計規範的一般規定中指出，當應力變化的迴圈次數N≥105時，應進行疲勞計算。而在應力迴圈中不出現拉應力的部位，則不必驗算疲勞強度。材料除了在交變應力作用下表現出與常溫、靜載時不同的力學性能外。應變速率及應力速率的大小同樣會對材料的力學性能產生影響。試驗研究指出，在應變速率(strainspeed)超過3mm/mm/s以後，這種影響更加明顯。使構件的應變速率超過3mm/mm/s的荷載，通常稱為動荷載(dynamicload)。加載速率也就是試樣中的應力速率的大小，同樣對測定材料的屈服極限有影響，當加載速率超過了塑性變形的傳播速率後，才會因材料對塑性變形的抗力提高而顯示出來。當加載速率低於塑性變形的傳播速率時，對所測定的屈服極限沒有影響。12.2材料在動荷載作用下的力學性能

一般情況下，在短期加載拉伸試驗中，在室溫中表現為塑性的材料，其塑性指標隨溫度降低而減小；隨溫度增加，塑性指標顯著增大。但是，衡量材料強度的指標和卻隨著溫度的降低而增大，隨溫度的增加而減小。在動荷載作用下，材料的強度極限有所提高，但屈服階段不明顯，即塑性與韌性降低。構件在衝擊荷載作用下，由於應變速率非常高，材料表現出與常溫、靜載時不同的力學性能，因此，研究材料在衝擊荷載作用下的力學性能就顯得十分必要。韌性包括衝擊韌性和斷裂韌性。一般說來，強度是材料抵抗變形和斷裂的能力，塑性是表示斷裂時，材料總的塑性變形程度，而韌性則是指材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現。12.2材料在動荷載作用下的力學性能

衝擊韌性是指結構、構件承受動荷載或衝擊荷載作用的能力。在工程中，衡量材料抵抗衝擊能力的標準，是沖斷試件所需能量的多少。在衝擊荷載作用下，構件積蓄的應變能在數值上等於衝擊力所做的功。因此，在衝擊試驗中，將帶有切槽的彎曲試樣置於試驗機的支架上，並使切槽位於受拉的一側，當重錘從一定高度自由落下使試樣一次作用沖斷時，試樣所吸收的能量等於重錘所做的功，稱為材料的衝擊功(impactenergy)。衝擊功對材料的組織缺陷十分敏感，能靈敏地反映材料品質、宏觀缺陷和微觀組織方面的微小變化。如果用每單位斷口面積衝擊力所做的功來表示，則稱為材料的衝擊韌度(impacttoughness)，其單位為J/mm2。12.2材料在動荷載作用下的力學性能

越大，表示材料抗衝擊的能力越強。不同種類的材料抗衝擊能力相差很大，塑性材料的抗衝擊能力遠高於脆性材料，例如低碳鋼的衝擊韌性就遠高於鑄鐵。衝擊韌度是材料的性能指標之一，同時衝擊韌度的測量還與試樣的尺寸、形狀、支承條件等因素有關。為便於比較，測定衝擊韌度時採用標準試樣。我國通用的標準試樣是兩端簡支的彎曲試樣，分為形切槽試樣與形切槽式樣，如圖12.5(a)、圖12.5(b)所示。12.2材料在動荷載作用下的力學性能

(12.8)

衝擊試樣上開的切槽越尖銳，應力集中程度就越高，試樣吸收的能量就越多，也就越能反映出材料阻止裂紋擴展的能力。所以，用形切槽試樣測定衝擊韌度更為可靠。12.2材料在動荷載作用下的力學性能圖12.5衝擊試驗標準試樣(a)U形切槽試樣；(b)V形切槽試樣採用v形切槽試樣時,所測得的衝擊功W就是材料的衝擊功，而不需要再除切口處截面積。顯然，採用兩種試樣，試樣的衝擊韌度值不同。

對於不同的材料，用兩種切槽試樣測得的衝擊韌度之比值也不是一個常數，所以兩者不能簡單換算。試驗結果表明，的數值隨溫度的降低而減小。隨著溫度的降低，在某一狹窄的溫度區間內，的數值驟然下降，材料變脆，這就是冷脆現象。使衝擊韌度驟然下降的溫度為轉變溫度(transformationtemperature)。確定轉變溫度有兩種約定的標準。第一種標準是由V形切槽試樣斷口外觀分析確定。試樣沖斷後，斷面的部分面積呈晶粒狀，此為脆性斷口，另一部分面積是纖維狀，此為塑性斷口。v形切槽試樣應力集中程度較高，因而斷口分區比較明顯。用一組v形切槽試樣在不同溫度下進行試驗，晶粒狀斷口面積占整個斷面面積的百分比，隨溫度降低而升高。一般把晶粒狀斷口面積占整個斷面面積50%時的溫度，規定為轉變溫度，記為FATT。12.2材料在動荷載作用下的力學性能

另一種標準是用U形切槽試樣的值來確定。將一組材料、熱處理狀態、試樣加工過程完全相同的U形切槽試樣在不同溫度下進行衝擊試驗，將所得到的數據整理成衝擊韌度。以這一組試樣的最大值的40%或最大與最小值的算術平均值所對應的溫度作為轉變溫度。在寒冷工作條件下，鋼板的衝擊韌性對結構的工作性能非常重要。修建在寒冷地區的橋樑用鋼要求在最低環境溫度的條件下能保證衝擊韌性。目前用於橋樑鋼板的標準要求必須保證0℃或－5℃時的韌性，有時甚至要保證－20℃和－40℃時的良好韌性。所以，在設計“規範”中，一般都根據使用經驗而規定為在室溫下不低於0.77J/mm2～0.96J/mm2，而對於在我國北方及高寒地區使用的橋樑，還規定了在－40℃低溫下橋樑的衝擊韌度值，以防止橋樑在嚴寒季節發生脆斷。12.2材料在動荷載作用下的力學性能

大量實驗表明，材料在超過一定溫度高溫下，拉伸試件在名義應力作用下的塑性變形將隨著時間的增長而不斷發展，這種現象稱為蠕變(creep)。蠕變引起構件的真實應力不斷增加，當真實應力達到材料的極限應力時，構件發生斷裂。當構件發生蠕變時，若保持總伸長量不變，則構件中的應力會隨著蠕變的發展而逐漸減小，這種現象稱為應力鬆弛。如拉伸試樣在高溫和恒定荷載作用下，維持兩端位置固定不動，則材料隨時間而發展的蠕變變形將逐步取代其初始的彈性變形，從而使試樣中的應力隨時間的增長而逐漸降低。12.3材料在長期荷載作用下的蠕變現象

如圖12.6所示為某一金屬材料拉伸試樣在某一恒定高溫下，長期受恒定荷載作用時，蠕變變形(用線應變表示)隨加載時間而發展的典型蠕變曲線。從圖中可見，加載後材料首先產生應變，此後進入蠕變階段，蠕變曲線分為四個階段：圖12.6拉伸試樣在恒定高溫下的蠕變曲線12.3材料在長期荷載作用下的蠕變現象AB：不穩定階段。在蠕變開始的AB段內，蠕變變形增加較快，但其應變速率則逐漸降低，由於這一階段的蠕變速率不穩定，因此，稱為不穩定階段。BC：穩定階段。BC段內蠕變速率達到最低並保持為常數。CD：加速階段。過了C點後直至D點，蠕變速率又逐漸增大。但其變化並不很大。DE：破壞階段。達到D點後，蠕變速度驟然增加，經過較短時間試樣就斷裂了，有時，在試樣上也會出現“頸縮”。12.3材料在長期荷載作用下的蠕變現象影響蠕變的兩個主要因素是溫度和應力水準。構件的工作溫度越高，蠕變速率就越大，當溫度超過某一界限值後就會發生明顯的蠕變變形，這一溫度的界限值稱為蠕變臨界溫度(creepcriticaltemperature)。在給定的應力水準下，蠕變臨界溫度通常約為材料的熔點的一半，軟金屬(如鉛)以及某些非金屬材料(如塑膠)在常溫下即可發生蠕變變形。而對於高溫合金則在很高的溫度下才會發生蠕變。在很高的拉應力水準下，冷拔預應力鋼絲即使在常溫下也可以看到明顯的蠕變現象。工程上常用的混凝土材料在常溫下也會發生蠕變和鬆弛，但其物理實質和金屬材料完全不同，只是具有金屬材料相仿的蠕變和鬆弛現象。12.3材料在長期荷載作用下的蠕變現象

2.4小結1.材料在交變應力作用下