材料科学基础第九章

第九章失效一、学习目的一个部件或结构的设计常常要求工程师使失效的可能性降到最小。这样，理解各种失效模式的机制就很重要，即：断裂、疲劳和蠕变。此外，熟悉所应用的合适的设计原理，以防止服役中失效二、本章主要教学内容学习本章后你可以做如下：1.描述韧性与脆性断裂的裂纹扩展机理。2.解释脆性材料的强度比理论计算值低很多的原因。3.以术语来定义断裂韧性（a）简单陈述（b）给出公式，说明公式中所有参数。{4.分辨应力集中系数、断裂韧性、平面应变断裂韧性。}5.简单解释为何相同陶瓷材料的同样试样的断裂强度通常会显著分散。6.简单描述陶器出现细微裂纹的现象。7.给出名称并描述两种冲击断裂实验技术。8.定义疲劳并特殊说明产生条件。9.从某种材料的疲劳图上确定：(a)疲劳寿命（在特定应力值下）；(b)疲劳强度（在给定循环次数条件下）。10.定义蠕变，详细说明其产生条件。11.给出某种材料的蠕变图，判定(a)稳态蠕变率，(b)断裂寿命。1.重要名词、概念和基本定律（中英文对照）Ductilefracture.Amodeoffracturethatisattendedbyextensivegrossplasticdeformation.延性/韧性断裂：一种伴随大量塑性变形的断裂方式。Brittlefracture.Fracturethatoccursbyrapidcrackpropagationandwithoutappreciablemacroscopicdeformation.脆性断裂：通过快速裂纹扩展发生断裂，没有明显的宏观变形。Transgranularfracture.Fractureofpolycrystallinematerialsbycrackpropagationthroughthegrains.穿晶断裂：多晶材料裂纹穿过晶粒扩展而断裂。Intergranularfracture.Fractureofpolycrystallinematerialsbycrackpropagationalonggrainboundaries.沿晶断裂：多晶材料裂纹沿着晶界扩展而断裂。Fracturemechanics.Atechniqueoffractureanalysisusedtodeterminethestresslevelatwhichpreexistingcracksofknownsizewillpropagate,leadingtofracture.断裂力学：一门断裂分析技术，用于确定已知尺寸的预先存在裂纹扩展并导致断裂的应力水平。Stressraiser.Asmallflaw(internalorsurface)orastructuraldiscontinuityatwhichanappliedtensilestresswillbeamplifiedandfromwhichcracksmay应力集中：一个小裂缝（内部或表面的）或者是结构不连续，在该处施加的拉伸应力将被放大，裂纹会扩展。propagate.Fracturetoughness(Kc).Criticalvalueofthestressintensityfactorforwhichcrackextensionoccurs.断裂韧度(Kc)：发生裂纹扩展时应力强度因子的临界值。Planestrain.Thecondition,importantinfracturemechanicalanalyses,wherein,fortensileloading,thereiszerostraininadirectionperpendiculartoboththestressaxisandthedirectionofcrackpropagation;thisconditionisfoundinthickplates,andthezero-straindirectionisperpendiculartotheplatesurface.平面应变：在断裂力学中重要的条件，对于拉伸载荷，在垂直于应力轴和裂纹扩展的方向上均为零应变。该条件存在于厚板，零应变方向垂直于板面。厚度方向无应变，可以有应力。Planestrainfracturetoughness(KIc).Thecriticalvalueofthestressintensityfactor(i.e.,atwhichcrackpropagationoccurs)fortheconditionofplanestrain.平面应变断裂韧性(KIc)：平面应变条件下应力强度因子的临界值（即达到该值时裂纹发生扩展）。Charpytest.Oneoftwotests(seealsoIzodtest)thatmaybeusedtomeasuretheimpactenergyornotchtoughnessofastandardnotchedspecimen.Animpactblowisimpartedtothespecimenbymeansofaweightedpendulum.却贝/摆锤式[单梁]冲击实验：两种用于测量标准缺口试件冲击功或缺口韧性实验的一种（另一种见Izodtest）。通过重摆锤给试件施加冲击。Izodtest.Oneoftwotests(seealsoCharpytest)thatmaybeusedtomeasuretheimpactenergyofastandardnotchedspecimen.Animpactblowisimpartedtothespecimenbyaweightedpendulum.悬臂梁式冲击实验：两种用于测量标准缺口试件冲击功实验的一种（另一种见Charpytest）。通过重摆锤给试件施加冲击。Impactenergy(notchtoughness).Ameasureoftheenergyabsorbedduringthefractureofaspecimenofstandarddimensionsandgeometrywhensubjectedtoveryrapid(impact)loading.CharpyandIzodimpacttestsareusedtomeasurethisparameter,whichisimportantinassessingtheductile-to-brittletransitionbehaviorofamaterial.冲击功（缺口韧性）：标准尺寸及形状的试件受到快速冲击载荷时，断裂过程中所吸收能量的度量。采用摆锤式或悬臂梁式冲击实验来测量该参数。在评定材料的塑性-脆性转变行为方面很重要。Ductile-to-brittletransition.ThetransitionfromductiletobrittlebehaviorwithadecreaseintemperatureexhibitedbyBCCalloys;thetemperaturerangeoverwhichthetransitionoccursisdeterminedbyCharpyandIzodimpacttests.延性-脆性转变：体心立方合金随着温度的降低表现出从延性到脆性行为的转变。该转变发生的温度范围可以通过摆锤式或悬臂梁式冲击实验来确定。Fatiguelimit.Forfatigue,themaximumstressamplitudelevelbelowwhichamaterialcanendureanessentiallyinfinitenumberofstresscyclesandnotfail.疲劳极限：对疲劳而言，最大应力幅值水平，低于该值材料可以承受无限次应力循环而不失效。Fatiguestrength.Themaximumstresslevelthatamaterialcansustain,withoutfailing,forsomespecifiednumberofcycles.疲劳强度：对应某一特定循环次数，材料能承受而不失效的最大应力水平。Casehardening.Hardeningoftheoutersurface(or‘‘case’’)ofasteelcomponentbyacarburizingornitridingprocess;usedtoimprovewearandfatigueresistance.表面硬化：通过渗碳或渗氮方法使钢件的外表面或“表面”硬化，用于改善耐磨性和抗疲劳性。Creep.Thetime-dependentpermanentdeformationthatoccursunderstress;formostmaterialsitisimportantonlyatelevatedtemperatures.蠕变：承受应力时依赖于时间发生的永久性变形，对大多数材料而言只在高温下重要。Corrosionfatigue.Atypeoffailurethatresultsfromthesimultaneousactionofacyclicstressandchemicalattack.腐蚀疲劳：由循环应力和化学腐蚀同时作用导致的一类失效。Fatigue.Failure,atrelativelylowstresslevels,ofstructuresthataresubjectedtofluctuatingandcyclicstresses.疲劳：在相对低的应力水平下，承受交变和循环应力结构的失效。Fatiguelife(Nf).Thetotalnumberofstresscyclesthatwillcauseafatiguefailureatsomespecifiedstressamplitude.疲劳寿命(Nf)：在某一指定应力幅值下，引起疲劳失效的应力循环总数。Stressintensityfactor(K).Afactorusedinfracturemechanicstospecifythestressintensityatthetipofacrack.应力强度因子(K)：断裂力学中使用的一个因子，说明裂纹尖端处的应力强度。Thermalfatigue.Atypeoffatiguefailurewhereinthecyclicstressesareintroducedbyfluctuatingthermalstresses.热疲劳：一种疲劳失效类型，循环应力是由于交变热应力引起的。2.主要例题、习题的分析解答指导举例9.1较大块玻璃承受40MPa拉力，如果其比表面能和弹性模量为0.3J/m2和69GPa，求不产生断裂的最大表面裂纹长度。解答：解此题必须用公式9.3，把a作为应变量重组表达式，已知：σ=40MPa,γs=0.3J/m2,E=69GPa，代入得：设计举例9.1考虑半径为r厚度为t可以用作压力容器的薄壁球罐(图9.5)。（a）设计球罐要求在由于形成临界尺寸裂纹并随后快速扩展之前球壁材料屈服，这样，球壁的塑性变形可以观察到，球罐内的压力可以在灾难性失效发生前释放掉。显然，希望材料具有大的临界裂纹长度，以这一准则为基础，把金属合金按类别列表见附录B表B.5，临界裂纹尺寸从最长到最短。（b）也常应用于压力容器的选择性设计术语为“破坏前泄露”。利用断裂机制原理，在裂纹快速扩展发生之前，允许裂纹生长穿过整个容器壁厚度。这样，裂纹将完全穿透容器壁，不会出现灾难性失效，允许通过带压液体泄露进行检测。用这个准则，临界裂纹长度ac（即内部裂纹长度的一半）可以取值为压力容器的壁厚t。允许ac=t而非ac=t/2，保证在危险的高压力积累之前发生液体泄露。使用这一准则，将金属合金按类别列表见附录B表B.5，以及最大许用压力。对于这种球形压力容器，根据下式圆周应力是容器内压力p、半径r和壁厚t的函数(9.15)对(a)和(b)均假定为平面应变条件。解答(a)对第一条设计准则，希望圆周应力小于材料的屈服强度。以σy代公式9.11中的σ，把安全因子N合