韧性(toughness).ppt

本章架構 3.1 前言 3.2 張力 3.3 壓縮 3.4 扭力 3.5 彎曲 3.6 硬度 3.7 疲勞 3.8 韌性 3.9 損壞 3.10 破裂 3.11 材料使用的性能 3.12 設計考量 前言 本章節討論和塑性變形相關的機械特性，將分別就變形模式，應力，施力變形率，溫度，硬度，殘留應力與降伏標準等加以論述。 3.2 張力 3.2.1 應力-應變曲線 3.2.2 頸縮 3.2.3 延展性 3.2 張力 張力試驗(tension test)是探討材料機械性質最普遍的一種試驗。 3.2.1 應力-應變曲線(1/6) 標準試片經過張力試驗(tension test)，其變形過程如圖3.1(b)所示。 應力-應變曲線(2/6) 工程應力(engineering stress) 稱稱為公稱應力(nominal stress)定義為 單位面積A0(即受拉力作用前試片的截面積)所受負荷P(即拉力)之比值。即： 應力-應變曲線(3/6) 工程應變(engineering strain) e，是對應力的反應單位，以比率(或百分比)表示。故無單位。若受張應力時，符號為正；受壓力應力時符號為負。定義如下： 應力-應變曲線(4/6) 應力-應變曲線(5/6) 通常強度(strength)是產生損壞所需的臨界應力，如表3.1 應力-應變曲線(6/6) 彈性應變(elastic strain)是可逆的，當移除應力時應變隨之消失。彈性應變通常是應變的線性函數，應變與應力之比稱為彈性係數E，此為著名之虎克定律(Hooke’s Law) 3.2.2 頸縮(1/5) 當試片在拉力超越降伏應力Sy (yield stress)或稱降伏強度(yield strength)時仍繼續加強，其截面積明顯均勻地收縮形成永久變形，惟至最大拉力後，即刻有不均勻而急速的頸縮(necking)現象產生。如圖3.3，最後導致斷裂(fracture)。 頸縮(2/5) 材料在永久斷裂前所能忍受之最大應力，稱之為材料之極限應力 或最大抗拉強度 (ultimate tensile strength, UTS)，SF為破壞應力，在SF處P為最大值。 頸縮(3/5) 頸縮(4/5) 頸縮(5/5) 3.2.3 延展性 延展性(ductility)是表示材料受到彎曲，抽拉，伸展，成形，或永久扭曲時而未斷裂的情形。 3.3 壓縮 3.4 扭力 3.5 彎曲 脆性材料通常應用彎曲試驗(bend of flexure)來測定其性質。 三點彎曲試驗 四點彎曲試驗 3.6 硬度 3.6.1 硬度試驗 3.6.1.1 勃氏硬度試驗 3.6.1.2 維克氏硬度試驗 3.6.1.3 羅普氏硬度試驗 3.6.1.4 洛氏硬度試驗 3.6.1.5 莫氏硬度試驗 勃氏硬度試驗 HBN被定義為負荷量與凹痕的彎曲表面積之比值 維克氏硬度試驗 又名鑽石錐尖硬度試驗。 其法依量測試件的硬度和厚度而決定鑽石錐尖所需用負荷，其負荷可由1至120kg，然後由壓痕的量測決定試件的維克氏硬度指數DDH。 羅普氏硬度試驗 此法和維克氏硬度試驗法一樣使用鑽石錐尖為壓痕器(見表3.2)，其負荷可由25g至5kg。以KHN來代表。 洛氏硬度試驗 以量測鑽石壓入的深度取代勃氏壓痕的直徑量測，使用較為普遍及廣泛。 莫氏硬度試驗 天然材料的硬度幾乎均參考莫氏硬度標準作為比較量使用。 最古老的硬度等級法。 硬度 3.7 疲勞 材料往往重複施加的負荷而斷裂，而讓每一個別的負荷均度足以引起材料一次斷裂者，此現象稱為疲勞斷裂(fatigue failures) 3.8 韌性 3.8.1 衝擊 3.8 韌性 韌性(toughness)是斷裂破壞所需的能量，單位為焦耳。 3.8.1 衝擊 衝擊(impact)試驗已被廣泛地用於取得韌度(toughness)數據。 常用夏普(Charpy)及尹筑德(Izod)兩衝擊試驗法。 3.9 損壞 損壞的發生可分為破裂(fracture)損壞，高溫損壞，輻射(radiation)損壞及腐蝕(corrosion)，此均起因於機械負載，熱引發反應，輻射變化及材料與其環境的化學作用。 3.10 破裂 延性(ductile)破裂 當裂縫成長前有少許的塑性變形 脆性 (brittle)破裂 裂縫傳播速率快速，且沒有粗糙的變形和及小的微觀變形。 韌度(toughness)的一種量測是應力-應變曲線下的面積；若無塑性變形，則面積為se/2，或Ee2/2。 3.11 材料使用的性能 工程師必須能慎選合適之材料或能量於產品，設備的需求上。且必須考慮產品在使用時的性能，不僅包括材料與成份的要求，而且包含對材料使用時變化的考量。 3.12 設計考量 最強的材料可能無法忍受衝擊負載，因為高強度材料往往不