材料的机械行为.pptx
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材料的机械行为.pptx
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CHAPTER2,MechanicalBehavior,Testing,andManufacturingPropertiesofMaterials材料的機械行為、測試及製造特性,WorkingMediumofManufacturingProcessForceHeatLightAcoustics(聲音、音響)ElectricityChemistryBiology,室溫時材料之相對機械性質(RelativeMechanicalPropertiesofMaterialsatRoomTemperature),Tensile-TestSpecimenandMachine,(b),Figure2.1(a)Astandardtensile-testspecimenbeforeandafterpulling,showingoriginalandfinalgagelengths.(b)Atypicaltensile-testingmachine.,應力應變曲線(Stress-StrainCurve),Figure2.2Atypicalstress-straincurveobtainedfromatensiontest,showingvariousfeatures.,P-;-彈性區經過放大斜率=E比例限、彈性限、降伏強度Offset=0.2%反覆循環負荷之曲線形狀曲線下面積材料韌性necking,E,TensionTest,Necking(Fig.2.2)Springback(Fig.2.3),Engineeringstrain=Truestrain=Engineeringstress=Truestress=,LoadingandUnloadingofTensile-TestSpecimen,Figure2.3Schematicillustrationoftheloadingandtheunloadingofatensile-testspecimen.Notethat,duringunloading,thecurvefollowsapathparalleltotheoriginalelasticslope.,MechanicalPropertiesofVariousMaterialsatRoomTemperature,Exmple,B,利於進行製造的材料:
BB材質塑性區大,降伏強度低,較易進入加工區域。
(然而A較易滿足設計需求,強度大),Ch2.2.2Ductility延性,Elongation=(伸長量)Reductionofarea=(面積縮率、斷面縮率),Elongationversus%AreaReduction,Figure2.4Approximaterelationshipbetweenelongationandtensilereductionofareaforvariousgroupsofmetals.,Ch2.2.4應力-應變曲線之建立,Stress-straincurves,Truestrain,Truestress,n:
strain-hardeningexponent(n=0,表示沒有加工硬化現象),TypicalValuesforKandnatRoomTemperature,各種不同金屬在常溫下的TrueStress-TrueStrainCurves,Figure2.6Truestress-truestraincurvesintensionatroomtemperatureforvariousmetals.Thecurvesstartatafinitelevelofstress:
Theelasticregionshavetoosteepaslopetobeshowninthisfigure,andsoeachcurvestartsattheyieldstress,Y,ofthematerial.,Prove=natnecking,Atnecking:
Ch2.2.5,2.2.6溫度效應TemperatureEffectsonStress-StrainCurves,Figure2.7Typicaleffectsoftemperatureonstress-straincurves.Notethattemperatureaffectsthemodulusofelasticity,theyieldstress,theultimatetensilestrength,andthetoughness(areaunderthecurve)ofmaterials.,T,則ductility,yieldstress和modulusofelasticity(因為T,原子動能,容易克服差排障礙,延展性佳),表2.3,2.2.7變形速率的影響EffectofStrainRateonUltimateTensileStrength,2.2.7變形速率的影響EffectofStrainRateonUltimateTensileStrength,Figure2.8Theeffectofstrainrateontheultimatetensilestrengthforaluminum.Notethat,asthetemperatureincreases,theslopesofthecurvesincrease;thus,strengthbecomesmoreandmoresensitivetostrainrateastemperatureincreases.Source:
J.H.Hollomon.,strainratetensilestrength(應變硬化)直線斜率m:
應變硬化敏感度指數,Tempm,m大可以延緩necking發生,應用在金屬薄板的成形。
2.2.7變形速率的影響EffectofStrainRateonUltimateTensileStrength,超塑性(superplasticity):
某些材料在拉伸試驗時,頸縮及破壞前,發生大量的均質伸長變形量,這種變形量從幾百個百分比到兩千個百分比之間。
例如:
口香糖、玻璃、熱塑性塑膠、Zn-Al合金及鈦合金。
壓力:
幾個ATM到3.5GPa(500KST),液壓增加時,材料破壞時的應變量會大量增加(不容易破壞)。
脆性材料之金屬成形:
液壓擠製、粉末冶金壓製。
當加工製造stress超過材料破裂點,可使用下列方法避免:
加溫加液靜壓(HydrostaticPressureEffect):
脆性材料加工,2.2.8靜液壓的影響(Hydrostaticpressureeffects),暴露在高能量輻射下:
鋼料及其他種類金屬會發生降伏應力、抗拉強度及硬度會增加;延展性及韌性會減少。
塑膠材料對其機械性質也有不好的影響。
2.2.9輻射的影響(Raditioneffects),桶形失真(barreling):
摩擦力,2.3壓縮(Compression),2.3壓縮(Compression),Figure2.9Disktestonabrittlematerial(陶瓷、玻璃),showingthedirectionofloadingandthefracturepath.,2.3壓縮(Compression),蒲辛格效應(Bauschingereffect1881):
金屬受拉力進入到塑性狀態,將負荷釋放再施以壓縮應力,此時,壓縮的降伏應力值比拉伸時低許多。
應變軟化(strainsoftening)、作工軟化(worksoftening):
因負荷的方向轉換,使降伏應力值下降。
2.4扭轉(Torsion)DiskandTorsion-TestSpecimens,Figure2.10Typicaltorsion-testspecimen;itismountedbetweenthetwoheadsofatestingmachineandtwisted.Notethesheardeformationofanelementinthereducedsectionofthespecimen.,2.5彎曲(撓曲)Bending(Flexure),Figure2.11Twobend-testmethodsforbrittlematerials:
(a)three-pointbending;(b)four-pointbending.Theareasonthebeamsrepresentthebending-momentdiagrams,describedintextsonmechanicsofsolids.Notetheregionofconstantmaximumbendingmomentin(b);bycontrast,themaximumbendingmomentoccursonlyatthecenterofthespecimenin(a).,硬脆材料通常都使用bending實驗量測材料性質(因為tension實驗不易進行),設備便宜且方便,所以產業界常用Brinell(布氏硬度1900):
HBP對表面積的比值Rockwell(洛氏硬度1922):
HR深度Vickers(維氏硬度1922):
HV深度Knoop(克氏硬度):
HKLoad極小(5-25kg),做微硬度測試,可用於薄脆試件。
Scleroscope(蕭氏硬度):
反跳高度、大面積Mohs(莫氏硬度1822):
互相摩擦,值1(滑石)-10(鑽石)。
Durometer硬度測試計Hothardness熱硬度,Ch2.6硬度(Hardness),HardnessTests,Figure2.12Generalcharacteristicsofhardness-testingmethodsandformulasforcalculatinghardness.ThequantityPistheloadapplied.Source:
H.W.Hayden,etal.,TheStructureandPropertiesofMaterials,Vol.III(JohnWiley&Sons,1965).,BrinellTesting,(c),Figure2.13IndentationgeometryinBrinelltesting;(a)annealedmetal;(b)work-hardenedmetal;(c)deformationofmildsteelunderasphericalindenter.Notethatthedepthofthepermanentlydeformedzoneisaboutoneorderofmagnitudelargerthanthedepthofindentation.Forahardnesstesttobevalid,thiszoneshouldbefullydevelopedinthematerial.Source:
M.C.ShawandC.T.Yang.,HardnessConversionChart,Figure2.14Chartforconvertingvarioushardnessscales.Notethelimitedrangeofmostscales.Becauseofthemanyfactorsinvolved,theseconversionsareapproximate.,硬度測試對照表HRC機械工業常用(範圍對應鋼材)HRC55以上是很硬的鋼材,HardnessislinearlyproportionaltoStrength(UTS)UTSMPa=3.5(HB)Eq.(2.13)UTSpsi=500(HB)Eq.(2.14),Ch2.6.2硬度和強度(Hardnessandstrength),疲勞破壞:
工件在未達到靜態負荷時的降伏應力下,發生破裂。
金屬的疲勞限與其極限抗拉強度(UTS)有關,鋼料約為1/2,鋁則無(以107)。
如下圖2.15,2.7疲勞(Fatigue),2.7疲勞(Fatigue)S-NCurves,2.7疲勞(Fatigue)S-NCurves,Figure2.15TypicalS-Ncurvesfortwometals.Notethat,unlikesteel,aluminumdoesnothaveanendurancelimit.,EnduranceLimit/TensileStrengthversusTensileStrength,Figure2.16Ratioofendurancelimittotensilestrengthforvariousmetals,asafunctionoftensilestrength.Becausealuminumdoesnothaveanendurancelimit,thecorrelationforaluminumarebasedonaspecificnumberofcycles,asisseeninFig.2.15.,潛變:
機械零件在長時間承受一靜態負荷時所進行的永久變形,原因為晶界滑移(grain-boundarysliding)。
例如:
熱塑性塑膠及橡膠會在任何溫度下進行潛變。
鉛會在室溫定力下潛變、老房子的玻璃。
鋁合金(200度C)、高熔點金屬(1500度C)應力釋放(stressrelaxation):
螺栓、卯釘、guywires,2.8潛變(Creep),2.8潛變(Creep),潛變曲線:
分三階段,2.9衝擊(Impact)ImpactTestSpecimens,Figure2.18Impacttestspecimens:
(a)Charpy;簡支樑(b)Izod.懸臂樑,Ch2.10材料在製造過程及使用中的破壞與斷裂,破裂,破裂面走向,破裂,Figure2.19、2.20,Ch2.10材料在製造過程及使用中的破壞與斷裂,Ch2.10材料在製造過程及使用中的破壞與斷裂,圖2.212.22,2.10.1延性破壞(Ductilefracture),2.10.1延性破壞(Ductilefracture),杯錐狀斷裂(Cup-and-conefracture):
空孔累積、生長合併。
2.10.1延性破壞(Ductilefracture),雜質的影響,轉換溫度(TransitionTemperature),Figure2.24Schematicillustrationoftransitiontemperatureinmetals.transitiontemperature通常比室溫低許多,材料在低溫易發生破壞(TITANIC!
),圖2.26,2.10.2脆性破壞(Brittlefracture),2.10.2脆性破壞(Brittlefracture),疲勞破壞海灘標記(beachmarks),2.10.2脆性破壞(Brittlefracture),疲勞破壞改善:
1.珠擊、滾桶磨光。
2.表面硬化。
3.降低表面溝槽、缺陷提高精度。
4.選擇適當材料,降低雜質、空孔及不純物。
疲勞破壞,2.11殘留應力(ResidualStresses),2.11殘留應力(ResidualStresses),殘留應力原因:
加工、溫度梯度殘留拉應力降低疲勞壽命、破壞強度加工形成之殘留應力,一段時間後應力破壞(stresscracking)降低殘留應力:
退火(annealing)、反向變形、室溫長時間放置(溫度上升可以縮短時間),Ch2.12功、熱及溫度上升,Ch2.12製程中所受的限制溫度(須避免熱漲冷縮造成尺寸形狀失準)應變(須避免破裂產生),Ch2.12,Example:
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