韌脆轉(zhuǎn)變溫度是金屬材料的韌性指標,它反映了溫度對韌脆性的影響。
影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素:
晶體結(jié)構(gòu):體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強度鋼的基體是體心立方點陣的鐵素體,故這類鋼 有明顯的低溫脆性。
化學(xué)成分:間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中,偏聚于 位錯線附近,阻礙位 錯運動,致σs升高, 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。
顯微組織:晶粒大小,細化晶粒使材料韌性增加;減小亞晶和胞狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高韌性。
細化晶粒提高韌性的原因:晶界是裂紋擴展的阻力;晶界前塞積的位錯數(shù)減少,有利于降低應(yīng)力集中;晶界總面積 增加,使晶界上雜質(zhì)濃度減少,避免產(chǎn)生沿 晶脆性斷裂。
7、關(guān)于金屬疲勞的問題
a、金屬疲勞現(xiàn)象
疲勞:金屬機件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下,由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。
疲勞的破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動應(yīng)力作用下,逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂,當(dāng)裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程,是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積,最終引起整體破壞的過程。
循環(huán)應(yīng)力的波形:正弦波、矩形波和三角波等。
表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有:
最大循環(huán)應(yīng)力σmax,最小循環(huán)應(yīng)力σmin;平均應(yīng)力:σm=(σmax+σmin)/2;應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍:σa=(σmax-σmin)/2;應(yīng)力比:r=σmin/σmax
疲勞按應(yīng)力狀態(tài)分:彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復(fù)合疲勞;
疲勞按環(huán)境和接觸情況分:大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。
疲勞按應(yīng)力高低和斷裂壽命分:高周疲勞和低周疲勞。
b、金屬疲勞特點
疲勞的特點:該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞,在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形,呈脆性斷裂。
疲勞對缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感,即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應(yīng)力集中,加大對材料的損傷作用;組織缺陷(夾雜、疏松、白點、脫碳等),將降低材料的局部強度,二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。
c、金屬疲勞宏觀斷口
疲勞宏觀斷口的特征:疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應(yīng)力水平較低,因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴展階段,相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的特征。
疲勞源:是疲勞裂紋萌生的策源地。
位置:多出現(xiàn)在機件表面,常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點等),也會因局部材料強度降低而在機件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。
特點:因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復(fù)擠壓,摩擦次數(shù)多,疲勞源區(qū)比較光亮,而且因加工硬化,該區(qū)表面硬度會有所提高。
數(shù)量:機件疲勞破壞的疲勞源可以是一個,也可以是多個,它與機件的應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個源區(qū),雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個疲勞源。過載程度愈高,名義應(yīng)力越大,出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。
產(chǎn)生順序:若斷口中同時存在幾個疲勞源,可根據(jù)每個疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后,源區(qū)越光亮,相連的疲勞區(qū)越大,就越先產(chǎn)生;反之,產(chǎn)生的就晚。
疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。
宏觀特征:斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣),有時還有裂紋擴展臺階。
斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù),其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱,反映裂紋擴展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。
貝紋線——疲勞區(qū)的最典型特征:產(chǎn)生原因:一般認為是因載荷變動引起的,因為機器運轉(zhuǎn)時常有啟動、停歇、偶然過載等,均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。
形貌特點:疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線,凹側(cè)指向疲勞源,凸側(cè)指向裂紋擴展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細密,表明裂紋擴展較慢;遠離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙,表明此段裂紋擴展較快。
影響因素:貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機件名義應(yīng)力較高或材料韌性較差,則疲勞區(qū)范圍較小,貝紋線不明顯;反之,低名義應(yīng)力或高韌性材科,疲勞區(qū)范圍較大,貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點的擴展速度、載荷類型、過載程度及應(yīng)力集中等決定。
瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴展階段,隨應(yīng)力循環(huán)增加,裂紋不斷增長,當(dāng)增加到臨界尺寸ac時,裂紋尖端的應(yīng)力場強度因子KI達到材料斷裂韌性KIc(Kc)時。裂紋就失穩(wěn)快速擴展,導(dǎo)致機件瞬時斷裂。
瞬斷區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙,宏觀特征如同靜載,隨材料性質(zhì)而變。
脆性材料斷口呈結(jié)晶狀;
韌性材料斷口,在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀,邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。
位置:瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對側(cè)。但對旋轉(zhuǎn)彎曲來說,低名義應(yīng)力時,瞬斷區(qū)位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度;高名義應(yīng)力時,多個疲勞源同時從表面向內(nèi)擴展,使瞬斷區(qū)移向中心位置。
大?。核矓鄥^(qū)大小與機件承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān),高名義應(yīng)力或低韌性材科,瞬斷區(qū)大;反之。瞬斷區(qū)則小。
d、疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)性能
疲勞曲線:疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線,即S-N曲線。
用途:它是確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。
有水平段(碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、球鐵等):經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂,將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限,記為σ-1(對稱循環(huán))
無水平段(鋁合金、不銹鋼、高強度鋼等):只是隨應(yīng)力降低,循環(huán)周次不斷增大。此時,根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為條件疲勞極限。
疲勞曲線的測定——升降法測定疲勞極限
d、疲勞過程及機理
疲勞過程:裂紋萌生、亞穩(wěn)擴展、失穩(wěn)擴展三個過程。
疲勞壽命Nf=萌生期N0+亞穩(wěn)擴展期Np
金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴展的過程。
裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應(yīng)力區(qū),通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。
疲勞微裂紋常由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有:表面滑移帶開裂;第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂;晶界或亞晶界處開裂。
e、如何提高疲勞強度
如何提高疲勞強度——滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋角度
從滑移開裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機理看,只要能提高材料滑移抗力(固溶強化、細晶強化等),均可阻止疲勞裂紋萌生,提高疲勞強度。
如何提高疲勞強度——相界面開裂產(chǎn)生裂紋角度
從第二相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機理來看,只要能降低第二相或夾雜物脆性,提高相界面強度,控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”,均可抑制或延緩疲勞裂紋在第二相或夾雜物附近萌生,提高疲勞強度。
如何提高疲勞強度——晶界開裂產(chǎn)生裂紋
從晶界萌生裂紋來看,凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素,如晶界有低熔點夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等,均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強度;反之,凡使晶界強化、凈化和細化晶粒的因素,均能抑制晶界裂紋形成,提高疲勞強度。
f、影響疲勞強度的主要因素
表面狀態(tài)的影響:應(yīng)力集中——機件表面缺口因應(yīng)力集中往往是疲勞策源地,引起疲勞斷裂,可用Kf與qf表征缺口應(yīng)力集中對材料疲勞強度的影響。Kf與qf越大,材料的疲勞強度就降得越低。且這種影響隨材料強度的增高,更加顯著。
表面粗糙度——表面粗糙度越低,材料的疲勞極限越高;表面粗糙度越高,疲勞極限越低。材料強度越高,表面粗糙度對疲勞極限的影響越顯著。
殘余應(yīng)力及表面強化的影響:殘余壓應(yīng)力提高疲勞強度;殘余拉應(yīng)力降低疲勞強度。殘余壓應(yīng)力的影響與外加應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),不同應(yīng)力狀態(tài),機件表面層的應(yīng)力梯度不同。彎曲疲勞時,效果比扭轉(zhuǎn)疲勞大;拉壓疲勞時,影響較小。殘余壓應(yīng)力顯著提高有缺口機件的疲勞強度,殘余應(yīng)力可在缺口處集中,能有效地降低缺口根部的拉應(yīng)力峰值。殘余壓應(yīng)力的大小、深度、分布以及是否發(fā)生松弛都會影響疲勞強度。
表面強化的影響——表面強化可在機件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,同時提高強度和硬度。兩方面的作用都會提高疲勞強度。(方法:噴丸、滾壓、表面淬火、表面化學(xué)熱處理)硬度由高到低的順序:滲氮→滲碳→感應(yīng)加熱淬火;強化層深度由高到低順序:表面淬火→滲碳→滲氮。
材料成分及組織的影響:疲勞強度是對材料組織結(jié)構(gòu)敏感的力學(xué)性能。合金成分、顯微組織、非金屬夾雜物及冶金缺陷
g、低周疲勞
低周疲勞:金屬在循環(huán)載荷作用下,疲勞壽命為102~105次的疲勞斷裂。
循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象與位錯循環(huán)運動有關(guān)。
在一些退火軟金屬中,在恒應(yīng)變幅的循環(huán)載荷下,由于位錯往復(fù)運動和交互作用,產(chǎn)生了阻礙位錯繼續(xù)運動的阻力,從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。
在冷加工后的金屬中,充滿位錯纏結(jié)和障礙,這些障礙在循環(huán)加載中被破壞;或在一些沉淀強化不穩(wěn)定的合金中。由于沉淀結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載中校破壞均可導(dǎo)致循環(huán)軟化。
熱疲勞:機件在由溫度循環(huán)變化時產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作用下發(fā)生的疲勞。
熱機械疲勞:溫度循環(huán)和機械應(yīng)力循環(huán)疊加所引起的疲勞。
產(chǎn)生熱應(yīng)力的兩個條件:①溫度變化②機械約束
沖擊疲勞:沖擊次數(shù)N>105次時,破壞后具有典型的疲勞斷口,即為沖擊疲勞。