疲劳分析

nullnull第八章 破損（failure） 破損機制 破斷（fracture）、疲勞（fatigue），潛變（creep）設計原理防止使用時破損 材料選用 null破損：危及人身安全，造成經濟損失，產品與服務中斷 了解原因，保證使用時不破損困難 不當材料選用、製程，不足組件（component）設計或誤用 預期及決定可能發生破損的對策 破損分析（failure analysis） ：了解原因，採取措施防止未來意外發生 null單純破損 破斷力學（fracture mechanics）原理 衝擊破斷測試 延性至脆性轉換（ductile to brittle transition） 疲勞，潛變 null破斷 低溫、低應變速率下物體分成兩個以上部分 延性與脆性破斷 延性破斷：相當塑性變形、高吸收能 脆性破斷：幾乎無塑性變形、低吸收能 nullnull延性：EL或RA 與溫度、應變速率、應力狀態有關 裂縫（crack）起始與傳播（propagation） null延性破斷：裂縫附近廣泛的塑性變形、慢速變化 穩定而除非應力增加抗拒進一步擴張 破斷表面可觀塑性變形證據 脆性破斷：裂縫快速散佈，幾乎無塑性變形 不穩定：在應力不增加情況下迅速自動擴張 null延性破斷：警示，需要能量較大 脆性破斷：突然而危險 張力下：金屬延性，陶瓷脆性，高分子兩者皆有 null延性破斷 宏觀與微觀特色 極端柔軟材料：Au，Pb（RT） 一般，杯錐（cup-and-cone）破斷：頸縮，小孔穴（cavity）、微小空孔（microvoid）長大合併成橢圓形裂縫，裂縫在縮頸外圍迅速傳播，約沿與拉伸軸成450由剪切應力導致破斷。斷面中央不規則而顯現纖維狀 nullnullnull掃描式電子顯微鏡破斷研究（fractographic study） 球形軔窩（dimple）：微小空孔一半 450剪切應力破斷面：伸長軔窩，C形，拋物線形 破斷方式（mode），應力狀態，裂縫起始（initiation）位置 null脆性破斷 較平坦斷面，破斷面與拉伸應力方向幾乎垂直 一連串V形如袖章般標誌指向裂縫起始位置 自裂縫起始位置隆脊狀線條扇形輻射 nullnullnullnull高硬度與細晶金屬，非晶材料：光滑面 劈裂（cleavage） 穿晶（transgranular，transcrystalline） 沿晶（intergranular）：三度空間晶粒 null破斷力學原理 破斷機制 量化材料性質、應力、裂縫導致瑕疵、裂縫傳播機制關係 預期與防止破損 null應力集中 破斷強度為原子間凝聚力函數 脆性材料理論凝聚力強度 ~ E/10 實驗破斷強度：10-1 to 10-3理論強度 1920s，Griffith：小瑕疵 應力量變曲線 放大：應力提升者（raiser） nullnull橢圓形而垂直於應力方向 σm：裂縫尖端最大應力 σm = σ0 [1 + 2(a/ρt)1/2] a：裂縫尺寸，ρt：曲率半徑，σ0：應力 nullnulla >> ρt σm = 2 σ0 (a/ρt)1/2 應力集中因子 Kt =σm /σ0 = 2 (a/ρt)1/2 大尺寸缺陷 nullGriffith脆性破斷理論 彈性應變能釋放 表面能增加 裂縫傳播臨界應力 σc = (2E γs/（πa）)1/2 尖銳裂縫 null同時有塑性變形 σc = [2E( γs + γp )/ （πa）]1/2 高度延性材料 γp >> γs σc = [2Eγp /（πa）]1/2 nullgc = 2 ( γs + γp ) gc：臨界應變能釋放率 σc = [E gc /（πa）]1/2 gc = (πaσc2)/E nullnullnull破斷應力分析 負荷方式：拉伸，滑移，撕裂（tearing K：應力強度因子 nullnull破斷軔性 衝擊破斷測試 拉伸測試結果不能用來預測破斷行為 某些情況下延性材料突然斷裂 Y(a/W) = {W/(πa) tan[(πa)/W]}1/2 nullnullnullnullnullnullnullnull衝擊測試技巧 Charpy V-notch（CVN） Izod nullnull延性至脆性轉變 衝擊測試決定是否有隨溫度而有延性至脆性轉變 溫度範圍 破斷表面：破斷性質 nullnullnullnull CVN數值（20 J，15 ft-lb） 50%纖維狀表面 100%纖維狀表面 FCC晶體（Al, Cu基合金）：極低溫仍然延性 BCC，HCP null疲勞 動態與變動應力 橋樑、飛機、機械零件 反覆應力循環 金屬破損最主要原因（90%） 陶瓷、高分子 災難、不知不覺間加劇的、突然 nullnull週期應力 應力負荷方式：軸向張壓力，彎曲（flexural，bending），扭力 三種方式： 規則正弦式，反向（reversed）應力週期 重複（repeated）應力週期 不規則的（random）應力週期 null平均應力 σm = （σmax + σmin）/2 應力範圍 σr = σmax - σmin 應力振幅 σa = σr/2 =（σmax - σmin）/2 應力比 R = σmin / σmax nullnullnullS-N曲線 應力振幅 σa（σmin 或 σmax） N：至破損週期數目 Fe 、Ti合金 疲勞極限，耐久（endurance）極限 鋼鐵：35-60% 拉伸強度 非鐵合金（Al，Cu，Mg） 無疲勞極限 null疲勞強度：特定週期數目（如107）破損應力 疲勞壽命Nf：特定應力下產生破損週期數目 疲勞破損或然率：表面準備，冶金變數，測試設備中試片對準，平均應力，測試頻率 null特定破損或然率曲線 低週期破損（ < 104-105） 高週期破損（ > 104-105） nullnull裂縫起始與傳播 裂縫起始、傳播、破損 Nf = Ni + Np 低週期破損：Np >> Ni null裂縫起始：應力集中點 裂縫傳播： 第一階段：緩慢，破損面平滑 第二階段：迅速，傳播方向垂直於應力，應力週期，裂縫傳播一凹痕距離 nullnullnullnullnull海灘（宏觀）狀痕跡：間歇性應力 條紋（微觀）狀痕跡：各週期 nullnull裂縫傳播速率 預測疲勞壽命準則 高週期疲勞（ > 104-105） 疲勞壽命與裂縫成長速率 null裂縫長度與週期數目 da/dN = A (ΔK)m K：應力強度因子 A，m：與材料、環境、頻率、應力比，M~1-6 ΔK = Kmax-Kmin Log (da/dN) = logA + m log (ΔK) dN = da/[A (ΔK)m ] nullnullnullnull疲勞壽命 平均應力：S-N曲線 表面效應：設計因素，表面處理（珠擊），表面硬化 環境效應：熱疲勞，腐蝕疲勞 nullnullnullnullnull潛變 高溫靜態應力 渦輪轉子：噴射引擎與蒸汽發電機，高壓蒸汽管線 0.4 Tm null一般潛變行為 典型潛變測試：恆溫、一定負荷 瞬間變形：主要為彈性變形 主要（primary）或暫時（transient）潛變：潛變速率逐漸降低（應變硬化） 二次（secondary）潛變（穩定態潛變）：線性，時間最長，應變硬化與回復抵消 三次（tertiary）潛變：破裂，潛變速率逐漸增加 nullnull潛變與應力方向通常無關 長期應用（如核能電廠） 最小或穩定態潛變速率 短壽命情況（軍機渦輪片，火箭筆嘴） 至破裂時間tr 潛變破裂測試 null應力與溫度效應 T < <0.4Tm，初期變形後，應變幾與時間無關 如應力或溫度增加：瞬間變形增加，穩定態潛變速率增加，至破裂時間減少 nullnullnull穩定態潛變速率 Qc ：潛變活化能 nullnull潛變機制理論 應力導致空位擴散，晶粒界擴散，差排運動，晶粒界滑動：不同n值 Qc （潛變活化能）與Qd （擴散活化能）對應關係 應力-溫度圖 變形機制地圖 nullnull高溫用合金 熔點、彈性係數、晶粒大小 高潛變阻抗：高熔點、高彈性係數、大晶粒 不銹鋼、高溫金屬、超合金 單向固化 nullnullnull