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1、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（failureanalysis）：了解原因，採取措施防止未來意外發生單純破損破斷力學（fracturemechanics）原理衝擊破斷測試延性至脆性轉換（ductiletobrittletransition）疲勞，潛變破斷低溫、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
2、性變形、高吸收能脆性破斷：幾乎無塑性變形、低吸收能延性：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）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
3、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掃描式電子顯微鏡破斷研究（fractographicstudy）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）：三度空間晶粒破斷力學
4、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：10-1to10-3理論強度1920s，Griffith：小瑕疵應力量變曲線放大：應力提升者（raiser）橢圓形而垂直於應力方向m：裂縫尖端最大應力m=01+2(a/t)1/2a：裂縫尺寸，t：曲率半徑，0：應力atm=20(a/t)1/2應力集中因子Kt=m/0=2(a/t)1/2大尺寸缺陷Griffith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c=(2Es/（a）)1/2尖銳裂縫同時有塑性變形c=2E(s+p)/（a）1/2
5、高度延性材料psc=2Ep/（a）1/2gc=2(s+p)gc：臨界應變能釋放率c=Egc/（a）1/2gc=(ac2)/E破斷應力分析負荷方式：拉伸，滑移，撕裂（tearingK：應力強度因子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/(a)tan(a)/W1/2衝擊測試技巧CharpyV-notch（CVN）Izod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CVN數值（20J，15ft-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疲勞動態與變動
6、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）應力週期平均應力m=（max+min）/2應力範圍r=max-min應力振幅a=r/2=（max-min）/2應力比R=min/maxS-N曲線應力振幅a（min或max）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
7、限疲勞強度：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，測試頻率特定破損或然率曲線低週期破損（104-105）裂縫起始與傳播裂縫起始、傳播、破損Nf=Ni+Np低週期破損：NpNi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海灘（宏觀）狀痕跡：間歇性應力條紋（微觀）狀痕跡：各週期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裂縫長度與週期數目da/dN=A(K)mK：應力強度因子A，m：與材料、
8、環境、頻率、應力比，M1-6K=Kmax-KminLog(da/dN)=logA+mlog(K)dN=da/A(K)m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0.4Tm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潛變破裂測試應力與溫度效應T0.4Tm，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，至破裂時間減少穩定態潛變速率Qc：潛變活化能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