第6章 金屬材料之機械性質III 華夏機械工程系 Chen chang-shun

6.1 回復與再結晶 6.2 金屬材料之破壞性質 6.3 金屬材料之疲勞性質 6.4 金屬材料之潛變及應力斷裂 　　第6章 金屬材料之機械性質II 6.1 回復與再結晶 6.2 金屬材料之破壞性質 6.3 金屬材料之疲勞性質 6.4 金屬材料之潛變及應力斷裂 Chen chang-shun 華夏機械工程系

鐵達尼號：鋼材的 S 、 P 量過高 －＞ 造成熱脆性及冷脆性！ －－＞ 韌脆轉換溫度提高！縱向：32℃，橫向：56℃！ 肥粒鐵 MnS Chen chang-shun 華夏機械工程系

6.1 回復與再結晶(F6-1,6-2) 冷加工金屬退火發生的組織變化：回復 －－＞再結晶 －－＞晶粒成長 Chen chang-shun 華夏機械工程系

再結晶溫度(Recrystallization) 再結晶溫度：Tr = (0.4 ~ 0.5) Tm 影響再結晶的因素： 冷加工量：愈大，再結晶溫度愈低 加熱溫度：愈高，再結晶時間愈短 晶粒尺寸：冷加工量愈大或再結晶溫度愈低，再結晶之晶粒尺寸愈小 化學成分：材料純度愈高，再結晶溫度愈低 Chen chang-shun 華夏機械工程系

6.2 金屬材料之破壞性質 6.2.2 脆性破壞：沿著特定結晶平面(劈裂面)進行，裂紋傳播快速！(F6-13) 6.2.3 韌性與衝擊試驗 6.2.3 韌性與衝擊試驗 6.2.4 破壞韌性 Chen chang-shun 華夏機械工程系

延性破壞的三階段(F6-10) 試片開始頸縮，並在頸縮區域出現微空穴。 微空穴在中心聚集形成微裂紋，並在垂直於應力方向往表面延伸。 裂紋接近表面再以45度(最大剪應力)方向傳播，而呈杯錐狀破斷。 破斷特徵： 厚材：產生頸縮呈杯錐狀破斷面，內部韌窩表面成圓狀或等軸狀，外側剪唇區之韌窩則呈橢圓長形，與外力成45度。 薄材：破斷面與外力成45度剪切面，韌窩則呈伸長狀而非，等軸狀。 Chen chang-shun 華夏機械工程系

圖 6.10 形成杯錐形延性破壞的步驟。 (資料來源：Dieter, “Mechanical Metallurgy,” 2d ed., McGraw-Hill, 1976, p.278) Chen chang-shun 華夏機械工程系

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脆性破壞 脆性破壞：在很少的塑性變形下，沿著特定結晶平面(劈裂面)破裂，呈穿經破裂或沿著晶界的脆性相之粒間破壞！(F6-13) 三個階段： 差排滑移集中於障礙處 差排受阻擋處之剪應力增大，導致微裂紋成核 更大的剪應力使得裂紋快速傳播！ Chen chang-shun 華夏機械工程系

典型的衝擊脆性破壞：雪弗龍圖型(Chevron pattern) －＞ 此破壞是尤裂紋起點以放射狀向各方發散，最常發生在受衝擊負荷時 所造成之脆性破壞！ 沃斯田鐵型不銹鋼 Chen chang-shun 華夏機械工程系

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破壞韌性(fracture toughness) 金屬破壞起源於應力集中之最高處，裂紋尖端處之應力強度則取決於所施的應力與裂紋長度，而以應力強度因數 KI 表示。 Chen chang-shun 華夏機械工程系

應力強度因數 KI (6.1) 引起破壞之KI臨界值破壞韌性 KIC (6.2) σ = 外加的垂直應力 a = 邊緣裂紋長度或內部裂紋長度的一半 Y = 無因次幾何修正常數 式中 σf = 破壞應力，當外加的應力σmax大於材料的σf，則裂紋傳播！ －－＞ KIC 越大，則使裂紋成長所需的臨界應力σf 也愈大！ Chen chang-shun 華夏機械工程系

試片厚度 B ＞ 2.5( KIC / σy)2 時，即滿足平面應變條件！ 圖6.18 使用密合型式試件與平面應變條件的破裂－韌性測試 。(a)試片尺寸樣圖，(b)臨界應力導致破壞的實際測試，使用雷射束測量應力值。(資料來源：White Shell Research) Chen chang-shun 華夏機械工程系

破壞時，塑性變形小的材料 KIC值較低，傾向於脆性破壞！ 破壞時，塑性變形大的材料 KIC值較高，傾向於延性破壞！ Chen chang-shun 華夏機械工程系

疲勞強度： 鋼鐵 ＞ S－N 曲線的水平區 － 約為抗拉強度的 0.4 ~ 0.5 倍 非鐵合金 ＞ ~ 10Λ8次所獲得的應力 － 約為抗拉強度的 1/3 ~ 1/4 圖 6.23 2014-T6鋁合金及1047中碳鋼的應力與疲勞破壞循環週期曲線圖。(資料來源：H. W. Hayden, W. G. Moffatt, and J. Wulff, “The Structure and Properties of Materials,” vol. III, Wiley, 1965, p. 15) Chen chang-shun 華夏機械工程系

延性金屬之疲勞過程的結構變化： 裂紋起始：疲勞斷裂之初期 滑移帶裂紋成長：由於反覆應力導致滑移帶的突起、凹入，造成裂紋於表面 或接近處產生，並沿著高剪應力平面往內部傳播。稱為疲勞裂紋成長之第一 階段。 高拉伸應力平面之裂紋成長：此階段裂紋明顯以較快速率傳播，穿過試片前 進，留下疲勞條紋。 4. 最終延性破裂：剩餘截面無法承受負荷，瞬間以延性模式破斷。 圖 6.25 滑動帶突出與凹入的形成機構。(資料來源：A. H. Cottrell and D. Hull, Proc. R. Soc. London, 242A:211-216（1957) Chen chang-shun 華夏機械工程系

影響疲勞強度的重要因素 應力集中：缺口、孔洞、鍵槽、斷面尖角變化等，造成應力集中，降低疲勞強度。 表面粗糙度：表面粗糙造成應力集中，促使裂紋成長，降低疲勞強度。 表面處理：表面硬化處理（滲碳、氮化等）增加疲勞強度，而脫碳則降低疲勞強度。 溫度效應：溫度增加，疲勞強度降低。 環境因子：在腐蝕氣氛下(化學侵蝕加速裂紋傳播速率) ，疲勞強度降低。 Chen chang-shun 華夏機械工程系

增加耐疲勞強度的方法 表面高度拋光：使表面缺陷盡量減小、變少。 表面硬化：滲碳、氮化等處理增加疲勞強度 珠擊法：利用高速撞擊表面，使表面產生殘留壓應力。 選擇材料：利用添加合金元素等，增加材料強硬度。 Chen chang-shun 華夏機械工程系

6.4 金屬材料之潛變及應力斷裂 6.4.1 金屬的潛變 6.4.2 潛變試驗 6.4.3 潛變－斷裂試驗 6.4.1 金屬的潛變 6.4.2 潛變試驗 6.4.3 潛變－斷裂試驗 潛變：材料在受到固定負荷下，隨著時間而發生漸進式的塑性變形。通常發生在高溫(T ＞ Tr，1/2 Tm) ，例如噴射引擎之氣渦輪葉片等。 Chen chang-shun 華夏機械工程系

理想的潛變曲線(F6-27) 初期潛變：因為應變硬化，潛變速率隨時間增加而下降。 穩態(中期)潛變：應變硬化效應被差排之回復過程所抵消，其潛變速率維持固定。 dε/ dt = 常數 末期潛變：此時試片產生頸縮，內部沿著晶界形成為孔洞結合，導致潛變速率隨時間快速增加，直到破壞。 Chen chang-shun 華夏機械工程系

圖 6.27 典型金屬之潛變曲線。圖中曲線表示金屬材料於固定溫度、固定載荷的時間和應變行為。注意到第二期潛變（線性潛變）是設計工程師對大量潛變發生最感興趣的。 Chen chang-shun 華夏機械工程系