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塑性应变零件断裂原因下载_脆碎度过大的原因(2024年11月最新版)

内容来源：零配件导航所属栏目：新闻更新日期：2024-11-27

塑性应变零件断裂原因

什么是高周疲劳与低周疲劳？有什么区别？疲劳断裂怎么发展？#疲劳断裂# 作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。例如压力容器、汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。应力和应变分析应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。按照载荷类型分类弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、振动疲劳、微动疲劳。疲劳断裂的特征宏观：裂纹源→扩展区→瞬断区。裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。疲劳断裂的特点（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。（3）疲劳破坏后，一般能够在断口处能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂的三个区域的组成部分。⠀

力学实验室挑战！解锁拉伸压缩探索力学的奥秘，我们今日的目标是搞定拉伸和压缩测试！𐟎𐟔砦‹‰伸试验：在轴向拉伸载荷下，我们测量了材料的各种特性。这包括了力-位移数据、应力-应变数据、应力（强度）、屈服应力（强度）、弹性模量（杨氏模量）、断裂伸长率、断面收缩率、拉伸泊松比以及R值等宝贵数据。𐟓Š 𐟔砥Ž‹缩试验：通过轴向静压力，我们测试了材料的压缩性能。这涵盖了力-位移数据、应力-应变数据、应力（强度）、屈服应力（强度）、压缩弹性模量、压缩应变以及压缩泊松比等关键数据。𐟓ˆ 𐟔砥𜯦›𒥮ž验：在弯曲载荷下，我们研究了材料的抗弯强度和塑性指标的挠度。三点弯曲和四点弯曲是两种主要的加载方式，通过它们我们可以获得力-位移数据、应力-应变数据以及抗弯强度和弹性模量等重要信息。𐟌€ 𐟔砥‰ꥈ‡试验：在剪切力的作用下，我们测量了材料的抗力性能。这是材料机械性能试验中的基础试验方法之一。根据受力方式，剪切试验可分为拉伸、压缩、扭转和弯曲剪切强度等几种。通过它，我们可以获得力-位移数据、应力-应变数据、剪切强度以及剪切模量等关键数据。✂️ 今天在力学实验室的挑战中，我们不仅深入了解了材料的力学性能，还掌握了各种测试方法和技术。𐟛 ️

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金属及合金的塑性变形与断裂基础 𐟌Ÿ 金属及合金的塑性变形与断裂是材料科学中的重要研究领域。塑性变形是指金属在外力作用下发生的永久性变形，而断裂则是材料在塑性变形过程中发生的失效形式。 𐟔砧œŸ应力-真应变曲线真应力-真应变曲线是描述金属在塑性变形过程中的应力与应变关系的曲线。通过这个曲线，可以了解金属的变形特性，包括弹性变形、塑性变形以及断裂。 𐟒Ž 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形是指金属在受到外力作用时，晶体内部发生的位错运动。滑移是单晶体塑性变形的主要方式，通过滑移可以形成不同的滑移系。 𐟔„ 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形是指由多个单晶体组成的金属在受到外力作用时的变形行为。多晶体的变形受到晶界的影响，晶界的存在使得多晶体在变形过程中表现出不同的变形特性。 𐟛᯸ 柯氏气团强化柯氏气团强化是一种通过引入柯氏气团来提高金属强度的机制。柯氏气团的存在可以阻碍位错的运动，从而提高金属的塑性变形抗力。 𐟌 金属的变形特性金属的变形特性包括弹性变形、塑性变形以及断裂。弹性变形是指金属在外力作用下发生的可逆变形，而塑性变形则是不可逆的。 𐟔頦𛑧绤𘎦𛑧继𓻊滑移是指晶体内部的一部分相对于另一部分发生的塑性变形方式。滑移系是指晶体中能够发生滑移的面和方向。 𐟌€ 多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程包括晶界的阻碍作用以及位错的交互作用。晶界的存在使得多晶体在变形过程中表现出不同的变形行为。 𐟔頧𛆦™𖥼𚥌– 细晶强化是一种通过细化晶粒来提高金属强度的机制。细晶粒使得金属的塑性变形变得更加均匀，从而提高材料的强度和韧性。 𐟌 材料的组织结构材料的组织结构包括显微组织和亚结构。显微组织是指金属在变形过程中形成的不同相和晶粒，而亚结构则是指晶体内部的原子排列方式。 𐟔頥˜形织构变形织构是指由于金属塑性变形而形成的晶体择优取向。变形织构的存在使得金属在变形过程中表现出不同的力学性能。 𐟌€ 性能的影响变形织构对金属的性能有显著影响，包括力学性能和物理性能。通过控制变形织构，可以优化金属的性能，提高其使用价值。

半导体工程师 2024年09月25日 09:59 北京以下文章来源于老千和他的朋友们，作者孙千几乎所有工程结构材料的要求都是既要强度高又要韧性好,但通常情况下,强度和韧性这两种性能是相互排斥的。这一点并不广为人知，因为在日常表达中,这两个术语常常被视为同义词。强度(或硬度)通常表示材料抵抗不可逆(例如塑性)变形的能力,而韧性则是材料抵抗断裂的能力,可以用断裂能量来衡量。韧性也可以通过断裂力学方法来测量,即评估引发和/或扩展预先存在裂纹所需的临界裂纹驱动力,例如应力强度因子K、应变能释放率G或非线性弹性J积分。材料能够承受有限变形是赋予其韧性的关键因素,因为这种特性可以使局部高应力耗散,从而避免材料断裂;这就是为什么硬质材料往往脆性,而更容易变形的低强度材料往往更有韧性(图1a)。图片图1 强度与韧性的矛盾The conflicts between strength and toughness a显示了工程材料的强度-韧性关系。对角线表示塑性区域大小, Kc2/ƒy2, 其中Kc是断裂韧性, 是屈服强度。通过成分变化,可以进一步提高韧性(白色箭头)。 b, 说明了如何从内部（促进裂纹扩展）与外在（阻碍裂纹扩展）韧性机制的角度考虑强度和断裂行为。内部韧性主要源于塑性,从而提高了裂纹起始和扩展的韧性。外在韧性通过降低裂尖处的局部应力和应变场来发挥作用,由于依赖于裂纹的存在,因此只影响裂纹扩展韧性。材料变形机制可以非常多样化;尽管晶体材料中位错运动引起的塑性形变在任何材料教科书中都有记载,但非弹性变形也可能通过其他过程发生,如某些金属和陶瓷中的相变、牙齿牙本质和骨骼中矿化胶原纤维的滑动、贝壳中矿物片层的摩擦运动,甚至还可能通过导致断裂的机制,如地质材料和骨骼中的微裂纹以及金属玻璃中的剪切带传播。这里的关键词通常是"有限",因为过度的变形会使材料失去韧性。因此,韧性是一种折衷;传统上,它被认为代表了强度和可变形性(延展性)这两种机械性能的组合,而这两种性能通常也是相互排斥的。随着人们追求更强材料的趋势,这是否意味着这些材料永远无法具有韧性?并非如此，韧性并非如此简单;事实上,即使没有延展性,也可以产生韧性。一个很好的例子就是脆性材料,如陶瓷,它们通常无法通过促进塑性来增强韧性。为了理解这一点,有必要将断裂过程视为另一种矛盾，从断裂力学的角度来看，是内部（促进裂纹扩展）与外在（阻碍裂纹扩展）增韧机制之间的相互竞争(图1b)。材料的断裂机制是一个复杂的问题,涉及多方面因素，其中最关键的是材料的纳米/微观结构。在裂纹尖端前方,存在一个过程区,其中第二相可能会发生开裂或解粘等（cracking or debonding）过程，内部增韧机制使裂纹扩展变得更加困难,这对裂纹的起始和传播都有重要影响。相比之下,外部增韧机制主要作用于裂纹尾部,通过诸如桥接等方式来减小实际作用于裂纹尖端的局部应力和应变,从而阻碍裂纹的扩展。外部机制可以非常多样化,例如复合材料中纤维或韧性相的桥接,单相陶瓷中晶粒间断裂时的摩擦咬合,以及骨骼中跨越微裂纹的胶原纤维。外部增韧机制只能作用于已经存在的裂纹,无法影响裂纹的起始。此外,它们的效果还与裂纹的长度(或尺寸)有关。这就导致了所谓的抵抗裂纹扩展的韧性行为,需要增加裂纹驱动力才能维持裂纹的亚临界扩展。内部增韧是韧性材料抗断裂的主要来源。大多数金属材料都是通过这种方式增韧的,因此材料越强,用于(内部)增韧的塑性就越少。从钢制压力容器和管道到铝合金飞机机身等大多数关键结构应用,都采用这些合金的相对较低强度版本,以避免过早失效的问题。不过,也有克服强度和韧性矛盾的情况。一个看似意外的例子就是某些新型金属玻璃材料(metallic glass materials ,BMG)。作为100%无定型材料,BMG通常强度很高,拉伸强度可轻易达到1-2GPa。由于缺乏位错,它们是通过剪切带的起始和传播来变形的,但这可能导致极度脆性;在拉伸下,单个剪切带可以贯穿整个样品,导致极小应变下的失效。因此,在剪切带空化并演化为裂纹之前就将其局部阻止，是使这些强材料变得韧性的关键,因为这可以促进多个剪切带的形成,从而释放局部高应力。这可以通过制备BMG基复合材料实现,在其中添加晶体第二相-树枝晶-来阻止剪切带(图2);但树枝晶的间距必须足够小,以在剪切带/裂纹导致灾难性失效之前就将其阻止,也就是说,树枝晶间距的特征微观尺度必须与失效临界裂纹尺度的特征力学尺度相匹配。图片图2 金属玻璃合金的强度和韧性策略在 BMGs 中实现高韧性和强度需要防止单一剪切带的形成,这种剪切带贯穿材料,导致接近于零应变时的失效。a,b,一种方法是添加第二相来阻止剪切带,这里是 Zr–Ti–Nb–Cu–Be 玻璃基体中的晶质树枝状结构,其枝间距小于失效的裂纹尺度(a);与单相基体合金相比,韧性提高三到四倍,达到约150 MPam1/2。c,d,另一种方法是实现高体积模量与剪切模量比;这使得剪切带形成更容易,相比单相Pd–Ag–P–Si–Ge 玻璃,强度极高(约1.5 GPa)、裂纹张开位移大(白色箭头)(c)和韧性达到约 200 MPa m1/2(d)。KJ 是用 J 积分测量的韧性;E 是杨氏模量。事实上,含有42-67体积%树枝晶的Zr-Ti-Nb-Cu-Be玻璃表现出100-160 MPa m1/2的断裂韧性,同时拥有1.1-1.5 GPa的拉伸屈服强度,这是迄今为止结构材料中最佳的强度-韧性组合之一。令人惊讶的是,在一种单相(100%无定型)Pd-Ag-P-Si-Ge玻璃合金中,更出色的强度和韧性性能最近也有报道。这里采用了完全不同的方法,即通过选择合金成分来实现高体模但低切模。后者与剪切带形成的容易程度有关,前者与这些带内空化的困难程度有关。在荷载下,这些合金会产生大量剪切带,模拟大尺度塑性(图2c),但这些带本身被限制不会演化为实际裂纹。这些合金的强度和韧性性能确实令人惊叹,断裂韧性可达200 MPa m1/2,拉伸强度大于1.5 GPa;事实上,它们似乎是有史以来最耐损坏的材料。不过,它们成本很高,目前只能制成直径约6 mm的小截面。如上文所述,外部增韧是脆性材料增韧的主要方法,在许多情况下也是唯一来源。在单相陶瓷材料(如碳化硅、氮化硅和氧化铝)中,内部性增韧需要改变键合强度,这是不可行的。然而,通过促进裂纹偏转和晶粒桥接,这些材料可以很容易地实现外源性增韧(图3)。这里,晶界断裂通常是这些机制发挥作用的必要条件。例如,当碳化硅发生穿晶断裂时,其断裂韧性约为2-3 MPa m1/2,而当发生沿晶断裂时,其断裂韧性可达10 MPa m1/2,关键的微观结构特征是沿晶界存在脆性纳米级玻璃薄膜,促进了晶界开裂、晶粒桥接,从而提高了韧性。图片图3单晶陶瓷的外部增韧单晶陶瓷的断裂韧性在很大程度上取决于其断裂模式。通过添加铝、硅和硼作为掺杂剂制备的碳化硅（ABC-SiC）,在晶粒界形成纳米级玻璃薄膜。a,相应地,ABC-SiC表现出显著的上升R曲线韧性。b,这是因为它沿着脆性的晶界薄膜发生晶间断裂,从而产生通过晶粒桥接的外在韧性增强(即在材料发生晶间断裂时,相互咬合的晶粒之间的摩擦干扰阻碍了裂纹的开展)。c,相比之下,商用SiC Hexoloy具有所谓的玻璃薄膜;它发生晶内断裂,没有外在韧性增强,因此也没有上升的R曲线。两种材料的裂纹起始韧性基本相同,而裂纹扩展韧性在具有晶粒桥接的材料中高出三倍。水平箭头表示裂纹传播的一般方向。一些材料依赖于内部和外部性增韧的结合。自然界的材料就是一个很好的例子。事实上,只要观察贝壳,我们就会发现自然界在制造硬且韧材料方面比人类更加成功。其中一个原因是大多数生物和自然材料具有分层结构,从分子到接近宏观尺度都有特征结构特征。内部增韧(塑性变形)机制的起源往往在较小的亚微米尺度,类似于金属中位错的纳米尺度,而外部增韧和断裂过程则发生在更粗糙的微米尺度范围内。人体皮质骨就是一个很好的例子。内部增韧,即塑性,源于纳米至几百纳米尺度的纤维滑移机制,这与矿化胶原纤维有关。然而,随着老化、辐照和某些疾病的发生,骨骼可能会变脆,因为胶原交联增加,抑制了这一机制;内部增韧随后转移到更大的尺度,并通过微裂纹相关的非弹性变形来实现。但是,骨骼的主要韧性来源是外部性,源于裂纹桥接和偏转,当裂纹遇到骨质结构的更高矿化界面时会发生这些现象。图片图4:骨骼的七个层次结构及其主导的增韧机制 a,骨骼的七个层次。b,主导的增韧机制。在最小尺度上,以胶原三螺旋分子和矿化胶原纤维为尺度,内在增韧,即塑性,是通过分子展开和分子间滑动实现的。在更粗糙的尺度上,以纤维束阵列为尺度,微裂纹和纤维滑动作为塑性机制,有助于内在韧性。在微米尺度上,纤维束阵列界面处牺牲键的断裂有助于增加能量耗散,同时还有胶原纤维的裂纹桥接作用。在最大的长度尺度上,在十到百微米范围内,主要的增韧来源是外在的,源于广泛的裂纹偏转和未破裂韧带的裂纹桥接,这两种机制都是由微裂纹的出现所驱动的。软体动物壳也是一个很好的例子，软体动物可以追溯到5.45亿年前。这些材料,如珍珠母贝壳,具有"砖瓦"结构;"砖"是约0.5微米厚、5-10微米宽的方解石(碳酸钙多晶体)片状晶体,占总体积的95%,由有机生物聚合物分隔。矿物陶瓷赋予了高强度,但由于矿物本身是脆性的,如果方解石片层之间被刚性地锁定,其韧性将非常低,因为没有任何方式来释放局部高应力。有机生物聚合物的作用就像一种润滑剂,允许片层之间有一定的移动,这构成了内部增韧的塑性机制。但是,这种片层之间的滑动必须限制在约1微米以内,否则材料就会失去强度;自然通过粗糙化矿物片表面来提供摩擦阻挡,并在层间设置小型矿物"桥梁"来实现这一点。蜿蜒的裂纹路径和矿物片进一步提供了外部增韧的主要贡献。作为陶瓷和有机的混合材料,其韧性至少高出其组分相一个数量级。图片图5 贝壳(珍珠层)及其仿生陶瓷中的增韧机制 a,珍珠层具有天然的结构,由约0.5微米厚的方解石矿物"砖块"通过生物聚合物"分隔。b,受珍珠层启发的合成氧化铝-PMMA"通过冻结铸造制备。c,d,尽管天然和合成材料都由脆性陶瓷(CaCO3和Al2O3)组成,但它们表现出显著的韧性和拉伸延展性(c),以及明显的R曲线行为(d)。增韧与部分"砖块"拔出(b中插图)以及矿物界面上的摩擦滑动(b中红色箭头)有关。这种类珍珠层的氧化铝-PMMA陶瓷表现出超出30 MPa m1/2的出色韧性,是层状结构的两倍,远超相应的氧化铝-PMMA纳米复合材料。最近,受生物启发的大块陶瓷材料已经被制造出来,模仿了珍珠层结构。使用与水混合的氧化铝陶瓷粉末,通过冷冻铸造技术制成陶瓷支架,其层厚(约1-100微米)可通过冷却速率控制,层间粗糙度则可通过添加掺杂剂(糖、盐或酒精)部分控制。经冷压和浸渍聚合物润滑相(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)后,可制得85体积%的氧化铝-PMMA混合材料,其宏观形态模仿珍珠层。这些受生物启发的陶瓷材料的力学性能非常出色,强度可与纯氧化铝相媲美,但断裂韧性却高出一个数量级。事实上,其韧性值可超过30 MPa m1/2,使其成为有记录的最高韧性陶瓷。这些例子表明,尽管强度和韧性通常是互斥的性能,但通过在不同尺度上引入多种塑性和韧性机制,仍可在单一材料中实现两者。为实现这种抗断裂性,这些材料的共同特点是由硬相组成的纳米/微观结构,既能提供强度,又能通过局部非弹性变形来缓解高应力,从而提供固有韧性,如金属中的位错塑性、金属玻璃中的多剪切带形成、骨骼中的纤维滑动和微裂纹,以及贝壳中的矿物片层滑动。此外,还存在诸如裂纹偏转和桥接等外部韧性机制,在更大尺度上提供强大的韧性。与典型的强而脆的固体不同,这些机制使得裂纹能够稳定(亚临界)生长,而不是立即不稳定(通常灾难性)传播。这种来自外部机制的裂纹生长韧性,加上固有(塑性)对裂纹起始韧性的贡献,是这些

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