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疲勞強度

6.1 回復與再結晶 6.2 金屬材料之破壞性質 6.3 金屬材料之疲勞性質 6.4 金屬材料之潛變及應力斷裂 6.1 回復與再結晶(F6-1,6-2) 冷加工金屬退火發生的組織變化:回復 -->再結晶 -->晶粒成長 6.1.1 高度冷加工金屬的組織:大量應變能以高密度差排或其他缺陷形式儲存於金屬內(F6-3)。組織為高密度差排及細胞狀網路所組成。 6.1.2 回復:退火初期,差排互相抵消、滑移呈低能量狀態,產生低角度之次晶粒。此階段之強度稍降而延展性略增,殘留內應力則大幅下降!(F6-3,6-4) 6.1.3 再結晶:隨著退火溫度增加或時間增長,新晶粒在回復金屬組織內成核、生長。此階段之強硬度大幅下降而延展性大增!(F6-5,6-6) 再結晶溫度(Recrystallization) 再結晶溫度:Tr = (0.4 ~ 0.5) Tm 影響再結晶的因素: 冷加工量:愈大,再結晶溫度愈低 加熱溫度:愈高,再結晶時間愈短 晶粒尺寸:冷加工量愈大或再結晶溫度愈低,再結晶之晶粒尺寸愈小 化學成分:材料純度愈高,再結晶溫度愈低 6.2 金屬材料之破壞性質 6.2.1 延性破壞:大量塑性變形,裂紋傳播速率較緩慢!(F6-9,10,11) 6.2.2 脆性破壞:沿著特定結晶平面(劈裂面)進行,裂紋傳播快速!(F6-13) 6.2.3 韌性與衝擊試驗 6.2.4 破壞韌性 延性破壞的三階段(F6-10) 試片開始頸縮,並在頸縮區域出現微空穴。 微空穴在中心聚集形成微裂紋,並在垂直於應力方向往表面延伸。 裂紋接近表面再以45度(最大剪應力)方向傳播,而呈杯錐狀破斷。 破斷特徵: 厚材:產生頸縮呈杯錐狀破斷面,內部韌窩表面成圓狀或等軸狀,外側剪唇區之韌窩則呈橢圓長形,與外力成45度。 薄材:破斷面與外力成45度剪切面,韌窩則呈伸長狀而非,等軸狀。 脆性破壞 脆性破壞:在很少的塑性變形下,沿著特定結晶平面(劈裂面)破裂,呈穿經破裂或沿著晶界的脆性相之粒間破壞!(F6-13) 三個階段: 差排滑移集中於障礙處 差排受阻擋處之剪應力增大,導致微裂紋成核 更大的剪應力使得裂紋快速傳播! 破壞韌性(fracture toughness) 金屬破壞起源於應力集中之最高處,裂紋尖端處之應力強度則取決於所施的應力與裂紋長度,而以應力強度因數 KI 表示。 應力強度因數 KI (6.1) 引起破壞之KI臨界值破壞韌性 KIC (6.2) 影響疲勞強度的重要因素 應力集中:缺口、孔洞、鍵槽、斷面尖角變化等,造成應力集中,降低疲勞強度。 表面粗糙度:表面粗糙造成應力集中,促使裂紋成長,降低疲勞強度。 表面處理:表面硬化處理(滲碳、氮化等)增加疲勞強度,而脫碳則降低疲勞強度。 溫度效應:溫度增加,疲勞強度降低。 環境因子:在腐蝕氣氛下(化學侵蝕加速裂紋傳播速率) ,疲勞強度降低。 增加耐疲勞強度的方法 表面高度拋光:使表面缺陷盡量減小、變少。 表面硬化:滲碳、氮化等處理增加疲勞強度 珠擊法:利用高速撞擊表面,使表面產生殘留壓應力。 選擇材料:利用添加合金元素等,增加材料強硬度。 6.4 金屬材料之潛變及應力斷裂 6.4.1 金屬的潛變 6.4.2 潛變試驗 6.4.3 潛變-斷裂試驗 潛變:材料在受到固定負荷下,隨著時間而發生漸進式的塑性變形。通常發生在高溫(T > Tr,1/2 Tm) ,例如噴射引擎之氣渦輪葉片等。 理想的潛變曲線(F6-27) 初期潛變:因為應變硬化,潛變速率隨時間增加而下降。 穩態(中期)潛變:應變硬化效應被差排之回復過程所抵消,其潛變速率維持固定。 dε/ dt = 常數 末期潛變:此時試片產生頸縮,內部沿著晶界形成為孔洞結合,導致潛變速率隨時間快速增加,直到破壞。 華夏機械工程系 華夏機械工程系 第6章 金屬材料之機械性質III   第6章 金屬材料之機械性質II 鐵達尼號:鋼材的 S 、 P 量過高 -> 造成熱脆性及冷脆性! --> 韌脆轉換溫度提高!縱向:32℃,橫向:56℃! P 肥粒鐵 MnS 圖 6.10 形成杯錐形延性破壞的步驟。 (資料來源:Dieter, “Mechanical Metallurgy,” 2d ed., McGraw-Hill, 1976, p.278) 典型的衝擊脆性破壞:雪弗龍圖型(Chevron pattern) -> 此破壞是尤裂紋起點以放射狀向各方發散,最常發生在受衝擊負荷時 所造成之脆性破壞! 沃斯田鐵型不銹鋼 KI = 應力強度因數 σ = 外加的垂直應

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