第五章缺口效应冲击韧性和低温脆性

上传者：董家祥
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上传时间：2015-04-26
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第五章缺口效应冲击韧性和低温脆性

前面我们知道，随着应力状态柔性系数降低，屈服强度上升；随加载速度增加，则屈服强度上升；随温度降低，则屈服强度上升。上述各因素均使材料变脆（即韧性降低）。实际上缺口的存在，使应力状态柔性系数降低，在冲击载荷下，加载速度增加，当温度降低，且低于冷脆转变温度TK时，则表现为低温脆性，这就是本章所要讨论的问题。

第一节缺口效应和金属的缺口敏感度

生产上绝大多数机件或构件都不是截面均匀无变化的光滑体。而存在截面的突变，如键槽。油孔，台阶，螺纹尖角，退刀槽等。截面突变可简称为缺口。实际上机件或构件的绝大部分都是缺口体。

缺口的存在引起如下一些作用

一．缺口引起应力集中和多轴应力状态

缺口的存在首先在缺口处引起多轴应力状态，造成各种现象的原因在第一章讨论颈缩现象和颈部应力分布时已分析过了。

1. 圆截面缺口试样

我们知道，圆截面缺口试样单轴静拉伸时在弹性变形范围内的应力分布情况。轴向应力SL和切向应力St都是在缺口顶端表面处最大，但颈向应力Sr的最大值却位于离表面一定距离处，而在缺口表面处等于零。

2. 薄板试样（平面应力）

缺口试样在弹性变形范围内的应力分布情况，也是轴向应力在缺口根部最大，横向拉应力的最大值位于缺口根部一定距离处。

3．厚板试样（平面应变）

应力分布不均匀并出现最大值的现象称之为应力集中，这是缺口的第一效应。缺口截面上的最大轴向应力Smax和该截面上的平均应力之比称为理论应力集中系数Kt Kt越大，缺口试样应力集中越严重，越尖锐。关于各种几何形状缺口的Kt值可通过计算或直接测试，或者查阅有关资料而得到.

在弹性范围内，Kt数值决定于缺口的几何形状与尺寸。

缺口处出现多轴应力状态（缺口的第二作用）和存在应力集中（第一作用）现象后，要使试样发生屈服，就需要更大的的单轴应力。这是因为最大切应力tmax和主应力(Sl_Sr)有关，如tmax=Sl-Sr/2 所以要得到同样大小的切应力，使试样发生屈服时，就需要更大的单轴应力Sl。以后会由证明得到，在平面应变下，这个可接近光滑试样屈服强度的3倍。通常将缺口试样的屈服强度和同一材料光滑试样的屈服强度之比定义为约束系数（或称塑性抑制系数）Q

P51图2-2表示在平面应力状态下，缺口处局部顶端出现塑性区后的应力分布情况。可以看出屈服强度被提高的情况。

二. 缺口引起应变集中和缺口处局部应变集率增大，缺口的第三个作用是在弹塑性状态下引起应变集中。已知在弹性变形范围呢你，应变正比于应力。我们只需区分应力集中系数和应变集中系数，但是在弹性变形范围内，由于应力与应变之间呈非线形关系，这两种系数之间的区别就必须予以考虑力了。我们定义在弹塑性条件下的应力集中系数和应变集中系数。虽然运用有限元分析计算方法可以得到较近似正式的严格弹塑性结果。

该关系不能给出缺口根部一定深度范围内的塑性应力和塑性应变的分布规律，但可以给出缺口根部表面的应力和应变值。

应变集中的后果是导致裂纹的产生。

缺口的第四个作用是在缺口处出现局部应变速率的增大

第二节温度对材料力学性能的影响

一．低温脆性现象

1.除fcc金属外，其它金属随着问地下降，屈服强度集聚增加。即fcc没有冷脆现象。

2.当试验温度低于某一温度TK时材料由韧性状态变为脆性状态，冲击值或端面收缩率急剧下降断口特征为纤维状转变为结晶状。断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理型。我们把TK称为韧脆转变温度或者低温转变温度。这种现象称为低温脆性（冷脆）低温脆性的物理本质为：材料的屈服强度随着温度的降低而集聚增加

P53 一般分为三类曲线（**—S曲线）

第一类曲线：（图2-5） fcc中的cu，AL等材料在很低的温度下，韧性依然保持较高。随T降低，屈服强度不变，但形变硬化率升高。

第二类曲线：（图2-3） bcc随T降低，屈服强度升高，韧性降低，但形变硬化速率不变。第三类曲线：（图2-6） hcp随温度降低，屈服强度升高，形变硬化速率也升高，均匀升长率升高（韧性升高）。

低温脆性对压力容器，桥梁，船舶结构及在低温下服役的机件是非常重要的。

对低温脆性的解释：由于材料屈服强度**随着温度下降而急剧上升，但断裂强度**对温度不敏感。因此，在某温度TK处这两种强度相等。

当T大于TK时，先屈服发生塑性变形，然后断裂，表现为韧性断裂。

当T小于TK时，断裂发生在屈服变形前，表现为脆性

①体心立方金属的低温脆性和位错在晶体中运动的阻力对温度变化非常敏感。以及低温下螺位错交滑移困难有关。

②Fcc金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。

③Bcc金属的低温脆性还与迟屈服有关。所谓近屈服即对低碳钢施加一交变载荷到高于材料**并不立即屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形，这是因为孕育期中产生弹性变形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而表现为脆性破坏。

第三节应变速率对材料力学性能的影响

1.随应变速率的增加，抗拉强度增加，且两者的关系随着温度的增加而增加。

2.条件应变速率条件应变速率正比于实验机夹头移动速度

真实应变率

3. 在一定温度与应变量增加，流变应力和应变速率的关系

应用：推迟颈缩的方法：

①相变强化法：材料受力变形时，一面变形一面产生相变，提高加工硬化率。

②增大m：当材料具有高的m时，只要一开始颈缩，就可以使颈缩区具有高的m值，这时该局部区域的流变应力迅速增大，颈缩难以形成（超塑性）

第四节材料在静加载下的缺口强度试验

一．缺口敏感度和缺口表示方法

由于缺口的存在，引起缺口处的应力集中，应变集中，造成更“硬”性的三向不等拉伸应力状态和增大缺口处局部应变速率。显然，这些情况使缺口体很容易处于脆性状态从而导致早期断裂。在试样缺口条件下，由于材料不同，这种脆化倾向也不同。因此，要衡量一个机件材料在更“硬”性应力状态的工作能力如何，是处于脆性状态还是韧性状态，亦即对缺口是否敏感。可以采用缺口试样进行缺口效应试验，以评定材料的缺口敏感度。缺口效应试验有缺口静拉伸，缺口偏斜拉伸，缺口静弯曲和缺口冲击弯曲。这就是缺口效应试验的意义。由于应力集中的大小和三向应力状态的程度都取决于缺口的形状和深浅，因此对缺口形状的表示方法作如下规定：

缺口形状的最主要三个符号：**—缺口深度 W—缺口角度

**—缺口曲率半径加大会降低应力集中，但对三向应力状态却影响不大，回在很大程度上引起三向英里状态的改变，但对应力集中改变较小。

2. 缺口静拉伸试验

缺口截面上的弹性状态及缺口根部出现塑性这时塑性状态的应力分布随外加载荷增加而变化的过程，书上都有。我们不仔细讲了。请大家回去看。这里强调就是：试验表明，如果理论集中系数Kt不大（Kt﹤2）即钝缺口。则可形成如第一章讨论颈缩时所观察到的，裂纹源于试样中心的杯状断口。如果缺口很尖锐(Kt﹥6)则将呈现环心圆似的的纤维层（环形剪切脊）

此时断裂是通过裂纹由外向内发展而完成的。必须指出，不能错误的理解为缺口使材料得到强化，似乎成了好事，实际上材料并未强化。原因有三

A.由于缺口几何形状造成的硬性英里状态会妨碍塑性变形上午发展，而理论剪切强度并没改变。对光滑体而言，相当于阻止颈缩形成和载荷的下降。因此，使缺口试样的强度**接近材料的实际断裂抗力*缺口并未强化，相反，却增加了材料脆性化的趋势。

B．缺口强化知识使缺口试样断裂P位转移到光滑P位，试样承载能力并未提高

C.以牺牲材料塑性与韧性为代价的

通常用缺口强度比NSR（Notch Strength Ratio）作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标。一般认为NSR﹤1材料对缺口敏感无实际上表现为这种情况的金属并不多.而绝大多数的金属均表现为NSR﹥1但这并不能说明金属对缺口不敏感

实践证明，象螺钉这类典型的带有缺口并承受拉伸载荷的零件，单凭NSR﹥1来选材和制定工艺是不可靠的，有时甚至适得其反。这是由于，在制造安装和使用过程中，不可能避免地仍存在因偏斜影响带来的附加弯曲，需进行缺口偏斜拉伸试验。

第五节冲击韧性

一.冲击载荷的力学特征和能量性质

所谓冲击载荷，就是作用在极短时间内有着很大变化幅度的载荷，如凿岩机活塞以约6~8速度冲击钎杆，在相互撞击部分，作用力在几十微秒就由零骤增到几吨，在经过几百微秒有重新下降到零。由于载荷变化率大，够成了冲击载荷的力学特点，出现了应力波的传播。冲击载荷除了上述力学特征外，还有一个特征就是它表现为具有能量载荷的性质。它首先表现在冲击应力的大小与零件的形状和体积有关。我们知道，在静载荷下，零件应力大小只取决于零件本身最小的断面积

但在冲击载荷下，冲击应力的大小不与断面积有关，还与零件的形状体积有关。如果零件无断面积变化，则冲击动能为零件的所均匀吸收，从而在整个零件内，应力和应变是均匀分布的。在这种情况下零件体积愈大，单位体积吸收的能量就愈小零件内P的应力和应变也就愈小。如果零件有断面变化，则冲击动能在零件内部P的分布是不均匀的，小截面处单位体积吸收较多的能量，从而使该处的应力和应变值大。

在设计承受冲击的零件时，应该尽可能的避免细而短的P分与粗大P分相连接。而尽可能的增大最小截面处的体积，以减少该处单位体积所吸收的能量，从而减小该处的冲击应力与应变值。

能量载荷性质的另一表现是零件承受冲击应力的大小还与整个受荷体有关。如果把生铁快放在放在黄砂地上是不容易被敲断的，而放在铁砂上就容易敲断。因此，在冲击载荷的情况下，应该把所研究的零件与相邻零件连在一起考虑。

二．缺口冲击韧性试验

第一次摆锤冲击试验已有80多年的历史了。最初的试样不开缺口，结果一些韧度高的试样常常冲击不断，为此，后来在试样上开一定形状的缺口。这样冲击能量和塑性变形就集中在缺口附近不大的体积内，增大了材料的脆性趋势。有因为在试样安置上进行弯曲试验比比啦

身试验要方便的多，这就形成了目前生产上广泛采用的缺口试样一次摆锤冲击弯曲试验。

三．冲击韧性及其意义

冲击功Ak除以试样缺口处原始截面积FN所得商值即为材料的冲击韧性。用ak表示，单位

2 为J/㎝

虽然ak值作为一个力学性能指标，用俩评定材料的韧性却存在许多不足之处。但由于冲击试验在生产中长期应用，积累了大量有价值的资料和数据。而且实践证明，ak值对组织缺陷非常敏感，她能敏感的反映出材料的品质。宏观缺陷和显微组织方面的微笑变化，因而冲击试验是生产上用来检验冶炼，热加工，热处理工艺质量的有效方法之一，故至今仍被广泛采用。

对于冲击韧性的意义我们可以归纳为如下几个方面：

1. ak值没有明确的物理意义

AK为冲断试样所消耗的总功，或为试样断裂前吸收的能量有确切物理意义，而除以缺口处的截面积FN所得到的ak值，表示单位面积上的平均值。这样ak值变成了纯粹的数学量，而失去了明确的物理意义。

因为冲击试样所承受的是弯曲载荷，缺口截面上应力分布是不均匀的，塑性变形主要集中在缺口附近，试样断裂所消耗的能量并不是沿缺口截面均匀地消耗。而是为缺口截面附近体积所吸收，且在此体积内，各点所吸手的能量也是不一样的。

2. 冲击韧性ak或冲击功Ak不能代表材料抵抗冲击载荷的能力，而是代表指定温度下，材料在缺口和冲击加载速度共同作用下的的脆性趋势及其程度，或者说对缺口的敏感度。

3. 材料的脆化趋势及其程度不是由于冲击造成的，而主要由缺口引起的。

冲击只有在缺口场合下，才起作用（这是因为在冲击载荷下可供缺口周围区域产生塑性变化，从而使应力集中松弛的时间较短，故产生脆性断裂的倾向增大）并且是次要作用（有些材料的光滑试样在工程常是加载速度下并不反映脆化趋势）

4. Ak相同的材料，其韧性不一定相同，Ak值（或ak值）的大小并不能直接反映材料人韧或脆的性质，实际上，只有塑性功，特别是断裂功的大小才真正显示材料韧性的性质。

缺口冲击韧性（冲击值）也是由弹性功，塑性功和断裂功三部分组成。对于不同的金属材料，Ak可以相同，但它们的弹性功，塑性功和断裂功却可能相差很大。若弹性功所占比例较大，塑性功小，断裂功近与零，则材料断裂前塑性变形小，裂纹一旦形成就立即扩展直到断裂，断口呈放射状甚至结晶状脆性断口。反之，若塑性功所占比例大，裂纹扩展功也大，则断口呈纤维状为主的韧性断口。

5. 机件在冲击载荷下的试销类型和静载荷一样仍然表现为过量弹变，过量塑变和断裂。

四. 冲击试验的应用

冲击试验的应用主要用于揭示材料的变脆倾向，评定材料在复杂受载条件下的寿命与可靠性。

总结

1. 名词概念

A.缺口效应——由缺口所造成的应力应变集中和硬性的应力状态（值很小）降低材料韧性的总和。

B.缺口敏感度——由于存造成应力应变集中和硬性应力状态，引起材料脆化倾向。

C.应力集中系数——表示缺口应力集中程度

理论应力集中系数KT=缺口截面上的最大应力/该截面上的平均应力

KT 表示缺口越尖锐，应力集中越严重

D.低温脆性——当试验温度低于某一温度TK（韧脆转变温度）时材料由韧性状态变为脆性

状态，冲击值急剧下降，断口特征由纤维状转变为结晶状。断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理型。这就是低温脆性。