材料力学性能19

材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川思考题：3.疲劳断口宏观特征？与疲劳断裂过程之关系？6.高周疲劳与低周疲劳之对比？1.高周疲劳行为特征？如何测试与表征？2.s-N曲线分类与特征？能否反映循环加载力学状态变化？8.循环应力-应变特征及包辛格效应之影响？9.疲劳裂纹扩展速率变化规律及其控制因素？7.s-N曲线与-N曲线之异同？如何进行疲劳强度和寿命设计?4.右图系列s-N曲线反映了何种规律？10.疲劳抗力影响因素？与材料拉伸性能指标有何关系？5.描述右图力学行为特征？有何谬误？循环应力-应变与-N曲线：循环应力特征对疲劳极限的影响GerberGoodmanSoderbergSS7-5疲劳裂纹扩展速率IC疲劳裂纹扩展寿命的估算：Paris方程的应用caammmmcaCYdadNN02/2/)(，当m2，当m=2S7-6材料疲劳抗力的影响因素第七章材料的疲劳1.次载锻炼与过载损伤2.表面状态3.组织结构4.材料性能bffNs)2(,，高周疲劳受应力控制，低周疲劳受应变控制3D打印钛合金s-N曲线组织与缺陷对3D打印钛合金疲劳抗力的影响3D打印钛合金da/dN-K曲线组织与缺陷对3D打印钛合金疲劳抗力的影响疲劳极限与抗拉强度与表面状态的关系bffNs)2(,S8-1高温下力学行为特点第八章材料高温力学性能高温软化与时间效应0.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120140160180200220变形速率为10/S1050℃1000℃950℃900℃850℃Stress,(MPa)Strain高温软化行为——动态回复与动态再结晶高温软化原因：——晶格阻力下降，原子活动能力提高(1)位错运动障碍↓；(2)位错运动方式↑：交滑移、攀移；(3)回复、再结晶等软化；(4)新的形变机制(晶界运动等)。（1）动态回复动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时一般也只发生动态回复。（2）动态再结晶动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形核和生长来完成的。它容易发生在层错能较低且有较大热变形程度的金属上。高温软化机制：热塑性变形机制：晶内滑移与孪生；晶界滑动；扩散蠕变位错蠕变机理晶界滑动：晶界滑移+晶界迁移晶界扩散流变图4-11扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向b）晶内扩散c）晶界扩散扩散蠕变：应力诱导定向扩散晶内扩散流变+dDBDBkTddtdbv212多晶材料扩散蠕变速率(Coble蠕变方程)式中，——外应力；——原子体积；d——平均晶粒尺寸；——晶界宽度；B1、B2——常数；Dv、Db——体扩散和晶界扩散系数。低温时Db比Dv大几个数量级，Coble蠕变方程近似为kTdDBdtdb32某些学者提出，若陶瓷晶粒从m级降到nm级，与d3成反比，蠕变速率将提高109倍；同时晶粒尺寸降低又可使晶界扩散系数Db比常规多晶材料大三个数量级，其总效应为：晶粒度下降三个数量级，形变率可提高1012倍，据此预言纳米陶瓷将呈现室温韧性，迄今仍未有足够的实验证据。kTQbeDD0对熔点1500℃以上的陶瓷，低温下Db10–30cm2s–1，按Coble方程将没有任何可观察到的蠕变发生(d/dt10-11/s)。纳米陶瓷的室温韧性dtd/热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。高温力学行为的典型时间效应：高温蠕变应力松弛S82高温蠕变及其断裂过程1、蠕变试验与蠕变曲线蠕变试验条件：高温恒载拉伸(静载)S82高温蠕变及其断裂过程1、蠕变试验与蠕变曲线第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段）原因：加工硬化占主体第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段），加工硬化与回复等软化机制相当第三阶段：加速蠕变阶段随t↑，蠕变速率↑，直至蠕变断裂。——裂纹的形成与扩展试验条件对蠕变行为的影响2、蠕变机制银的变形机制图稳态蠕变速率：)/exp(RTQCdtdcn3、蠕变本构方程)/exp()(sinhRTQBdtdcn高温低应力下简化为：Qc——蠕变表观激活能n——应力指数简单合金：晶界扩散蠕变n=1位错粘滞滑移蠕变n=3位错攀移蠕变n=5第二相强化合金：n6纯金属T≥0.5Tm高温蠕变激活能与自扩散激活能相近，高温合金n和Qc均较高，反映了的强化作用。4、蠕变断裂过程(1)蠕变断裂特征：等强温度与变形速率的影响穿晶断裂沿晶断裂蠕变断裂特征：晶界孔洞与沿晶裂纹机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂(2)蠕变断裂机制：机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹较低应力，较高温度下，当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超过临界尺寸（r）而稳定存在→长大→引起断裂。空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第二相质点附近，（晶界夹杂物）晶界滑动形成空洞示意图a)晶界滑动与晶内滑移带交割；b)晶界上存在第二相质点A.Pyzalla，science,2005CuZn40Pb2高温蠕变损伤过程同步辐射CT原位观测(3)蠕变断裂过程：横向晶界裂纹萌生及扩展(4)蠕变断裂时间：Monkman-Grant关系常数fct)(,1)/exp(RTQAtfnfQf——蠕变断裂激活能n——蠕变断裂应力因子3.塑性材料疲劳断裂是宏观脆性的，是否材料在交变加载过程中发生了脆化？思考题：1.循环硬化与单向变形硬化行为有何联系与区别？4.经典疲劳强度理论为何不能根本解决疲劳断裂问题？5.da/dN控制因素、疲劳裂纹扩展规律及其工程应用？2.单向变形过程是否存在软化效应？6.疲劳抗力影响因素？与材料拉伸性能指标有何关系？9.高温塑性变形微观机制中哪些是扩散控制的？7.材料高温力学行为有何特点？8.材料热塑性流变应力与屈服强度有何关系？10.蠕变本质是什么？与常温塑性变形行为之区别？