第三章 缺口、沖擊、低溫下的金屬力學(xué)性能

1、第3章 缺口、沖擊和低溫下金屬的力學(xué)性能缺口效應(yīng)缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能低溫脆性缺口效應(yīng)缺口的幾何形狀：缺口深度；：缺口深度；：缺口角；：缺口角；：缺口曲率半徑。：缺口曲率半徑。(a)、(b)分別表示圓形截面試樣和矩形截面試樣。分別表示圓形截面試樣和矩形截面試樣。(c)表示代表缺口形狀的表示代表缺口形狀的3個(gè)主要參數(shù)個(gè)主要參數(shù)。 應(yīng)力集中：應(yīng)力分布不均勻并出現(xiàn)最大值的現(xiàn)象。缺口效應(yīng)應(yīng)力集中mmax應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù) K t：表示缺口試樣的應(yīng)力表示缺口試樣的應(yīng)力集中程度。集中程度。mmaxtK力線力線N 對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)，缺口效應(yīng)兩/三向應(yīng)力狀態(tài)缺

2、口前方缺口前方：x 0，y 0， z=0，為，為平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)；缺口根部：缺口根部：x =0，y 0，z=0，為，為單向拉伸應(yīng)力單向拉伸應(yīng)力。 缺口效應(yīng)兩/三向應(yīng)力狀態(tài)缺口前方為缺口前方為 x0，y0，z0，為，為三向應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)；缺口根部為缺口根部為 x=0， y0， z0，為，為兩向應(yīng)力狀態(tài)兩向應(yīng)力狀態(tài)。l對(duì)于厚板來(lái)說(shuō)，對(duì)于厚板來(lái)說(shuō)，yzx缺口效應(yīng)1 由以上分析，缺口效應(yīng)1：應(yīng)力集中，及應(yīng)力狀態(tài)由單向應(yīng)力變?yōu)閮上?三向。0.5，塑性變形困難，且抗拉強(qiáng)度，塑性變形困難，且抗拉強(qiáng)度比光滑試樣低，容易脆斷。比光滑試樣低，容易脆斷。缺口效應(yīng)應(yīng)變集中缺口根部：y=s 缺口前方：y=

3、s+x缺口強(qiáng)化應(yīng)變集中：塑應(yīng)變集中：塑性變形集中在性變形集中在缺口附近了。缺口附近了。l對(duì)于厚板，對(duì)于厚板，三向應(yīng)力狀態(tài)三向應(yīng)力狀態(tài)所致所致缺口效應(yīng)缺口試樣塑性變形下的應(yīng)力分布：試樣試樣16：塑性依次增大！塑性依次增大！缺口效應(yīng)應(yīng)變集中塑性狀態(tài)下薄板的應(yīng)力分布對(duì)于薄板，對(duì)于薄板，缺口效應(yīng)2 由以上分析，缺口效應(yīng)2：缺口使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低。缺口強(qiáng)化，屈服強(qiáng)度升高，抗拉強(qiáng)度由于塑性缺口強(qiáng)化，屈服強(qiáng)度升高，抗拉強(qiáng)度由于塑性變形的約束也升高，但屈服強(qiáng)度升高幅度更大。變形的約束也升高，但屈服強(qiáng)度升高幅度更大。兩種狀態(tài)的比較 小結(jié)： 相同：彈性狀態(tài)下和塑性狀態(tài)下都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中和三向應(yīng)力狀態(tài)

4、，從而導(dǎo)致變脆。 不同：應(yīng)力最大位置不同，且彈性狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度降低，塑性狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度增大。缺口效應(yīng) 缺口效應(yīng)1.引起應(yīng)力集中，并引起三向應(yīng)力狀態(tài)或兩向應(yīng)力狀態(tài)；2.使材料強(qiáng)度增高，塑性降低，脆性增大。缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能 缺口試樣（軸向）靜拉伸試驗(yàn)缺口敏感度NSR (Notch Sensitivity Ratio) ：bbNNSR Nbb缺口試樣的抗拉強(qiáng)度等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度NSR是衡量靜拉伸下缺口敏感性的指標(biāo)，是衡量靜拉伸下缺口敏感性的指標(biāo)，NSR越大，缺口敏感性越小，反之越大。越大，缺口敏感性越小，反之越大。脆性材料：脆性材料：NSR1缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能AD

5、F1鋼由于具有良好的塑性和韌性，在較寬的回火溫度范圍鋼由于具有良好的塑性和韌性，在較寬的回火溫度范圍500630可獲得可獲得1300MPa以上的強(qiáng)度，而其以上的強(qiáng)度，而其NSR值值1.491.62明顯高于明顯高于42CrMo鋼，即具有低的缺口敏感性。鋼，即具有低的缺口敏感性。缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能缺口試樣的初始裂紋在應(yīng)力集中處形成塑性差塑性差塑性好塑性好缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能說(shuō)明：（說(shuō)明：（a）缺口使塑性材料變脆，缺口越深，脆性越）缺口使塑性材料變脆，缺口越深，脆性越大；缺口使塑性材料抗拉強(qiáng)度升高。（大；缺口使塑性材料抗拉強(qiáng)度升高。（b）缺口使脆性）缺口使脆性材料抗拉強(qiáng)度降低。材料

6、抗拉強(qiáng)度降低。缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能 缺口試樣偏斜靜拉伸試驗(yàn)：揭示了在惡劣應(yīng)力狀態(tài)下的安全性能指標(biāo)。84,bnbn測(cè)量指標(biāo)bNebq舉例P47缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能Pmax/P越大(面積越大)，缺口敏感性越低；Pmax/P越小(面積越小)，缺口敏感性越高；Pmax/P=1(面積為0)，缺口缺口敏感性最大。 缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)：評(píng)定彎曲應(yīng)力下結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感性和裂紋敏感性。彈性變形功彈性變形功塑性變形功塑性變形功撕裂功撕裂功Pmax/P1，隨著隨著Pmax/P的減小，缺口敏感性增大。的減小，缺口敏感性增大。缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能 沖擊載荷：使應(yīng)變速率大于10-2S-1的外加載

7、荷。 沖擊載荷下變形和斷裂的特點(diǎn)：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，材料的屈服強(qiáng)度提高；抗拉強(qiáng)度也隨之增加。（下圖）屈服強(qiáng)度提高的程度較高屈服強(qiáng)度提高的程度較高結(jié)論：結(jié)論：沖擊致脆沖擊致脆！缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能增加應(yīng)變速率，抗拉強(qiáng)度也隨之增加。 沖擊彎曲試驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)試樣缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能缺口試樣缺口試樣缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖擊試樣：缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能 缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)是測(cè)量沖擊韌性來(lái)評(píng)定材料在沖擊載荷下對(duì)缺口的敏感性。沖擊韌性Ak：材料在沖擊載荷的作用下發(fā)生斷裂所需要的能量，即材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能Ak=m

8、g(H1-H2) 沖擊彎曲試驗(yàn)原理：缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能 關(guān)于Ak的幾點(diǎn)說(shuō)明：Ak不是被材料各點(diǎn)均勻消耗的；Ak無(wú)明確的物理意義，是一個(gè)定性的量，Ak越大，脆化趨勢(shì)越小；Ak并不能精確反映材料的韌脆程度；Ak也可以用斷口形貌推出。缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能 缺口沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用 沖擊韌性可以有條件地作為一個(gè)零件工作時(shí)的安全性指標(biāo)； 可用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量； 可用來(lái)評(píng)定材料的冷脆傾向。低溫脆性 低溫脆性現(xiàn)象 北方冬季氣候寒冷的環(huán)境下，橋梁和輪船的斷裂； 泰坦尼克號(hào)的沉沒.Titanic 號(hào)鋼板號(hào)鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用

9、鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板 低溫脆性：當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊值明顯下降，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫淼?。低溫脆性冷脆金屬冷脆金?韌脆轉(zhuǎn)變溫度低溫脆性出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的根本原因：根本原因：體心立方金體心立方金屬的屈服強(qiáng)度隨溫度降屬的屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果！低急劇增加的結(jié)果！低溫脆性低溫脆性外因外因內(nèi)因內(nèi)因應(yīng)力狀態(tài)、性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)缺口尖銳度化學(xué)成分試樣尺寸晶粒大小金相組織韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk的影響因素：凡是能提高韌性的因素，都可以使凡是能提高

10、韌性的因素，都可以使t tk k降低，反之，降低，反之，都可以使都可以使t tk k升高。升高。低溫脆性 應(yīng)力狀態(tài)、缺口和尺寸對(duì)應(yīng)力狀態(tài)、缺口和尺寸對(duì)t tk k的影響：的影響：應(yīng)力為沖擊載荷，且加載速率越大；應(yīng)力為沖擊載荷，且加載速率越大；有缺口，且缺口越尖銳；有缺口，且缺口越尖銳；試樣尺寸越大。試樣尺寸越大。tk越大，冷脆現(xiàn)象越明顯。越大，冷脆現(xiàn)象越明顯。低溫脆性圖圖2 2 合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響化學(xué)成分對(duì)化學(xué)成分對(duì)tk的影響：的影響：低溫脆性晶粒大小對(duì)晶粒大小對(duì)tk的影響：的影響：低溫脆性 金相組織對(duì)tk的影響按照tk由高到低的順序?yàn)椋褐楣怏w、上貝氏體、

11、鐵素體、下貝氏體和回火馬氏體。第二相質(zhì)點(diǎn)細(xì)小、彌散分布于基體中時(shí)，材料韌性提高，tk降低。低溫脆性 韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk的意義：反映了溫度對(duì)韌脆性的影響，是金屬材料的韌性指標(biāo)，也是安全性指標(biāo)，但是tk對(duì)試驗(yàn)條件的依賴性很大。韌性溫度儲(chǔ)備：=t0-tk，t0為材料使用溫度。越大越安全。低溫脆性 冷脆轉(zhuǎn)化溫度的評(píng)定系列沖擊試驗(yàn)落錘試驗(yàn)低溫脆性 缺口試樣系列沖擊試驗(yàn)：在從高溫到低溫一系列不同溫度下進(jìn)行缺口試樣沖擊試驗(yàn)，其目的是測(cè)定金屬材料在這種試驗(yàn)條件下的脆性轉(zhuǎn)變溫度。沖擊吸收功-溫度曲線（能量法）斷口各區(qū)面積-溫度曲線（斷口形貌法）低階能對(duì)應(yīng)溫度定義為tk，記為NDT；高階能對(duì)應(yīng)溫度定義為tk，記為F

12、TP；低階能和高階能的平均值對(duì)應(yīng)溫度定義為tk，記為FTE。低溫脆性按能量法定義tk的方法：斷口結(jié)晶區(qū)為100%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為tk，記為NDT；斷口纖維區(qū)為100%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為tk，記為FTP；結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為tk，記為50%FATT。低溫脆性按斷口形貌定義tk的方法：低溫脆性落錘試驗(yàn)試樣試樣試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法隨溫度的降低，板材從不裂到產(chǎn)生裂紋，最后發(fā)生隨溫度的降低，板材從不裂到產(chǎn)生裂紋，最后發(fā)生斷裂，便可以測(cè)出試樣開裂的最高溫度，這個(gè)溫度斷裂，便可以測(cè)出試樣開裂的最高溫度，這個(gè)溫度叫做無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱叫做無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，簡(jiǎn)稱NDT。低溫脆性斷裂分析

13、圖(簡(jiǎn)稱FAD)：根據(jù)落錘試驗(yàn)求得的NDT可以做出各種裂紋尺寸下的試件的斷裂應(yīng)力與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線。低溫脆性板厚（板厚（mm）2575150300FTE=NDT+ 35506070FTP=NDT+ 70120135140FTEFTE和和FTPFTP與與NDTNDT之間有著較好的定量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系之間有著較好的定量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系: :用落錘試驗(yàn)測(cè)出用落錘試驗(yàn)測(cè)出NDT后就可以作出完整的斷裂后就可以作出完整的斷裂分析圖。分析圖。本章總結(jié) 缺口對(duì)材料的影響：產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中，以及三向或兩向應(yīng)力狀態(tài)。 缺口效應(yīng)：一是引起應(yīng)力應(yīng)變集中，并引起三向應(yīng)力狀態(tài)或兩向應(yīng)力狀態(tài)；二是使材料強(qiáng)度增高，塑性降低，脆性增大。沖擊彎曲缺口試樣系列沖擊試驗(yàn)落錘試驗(yàn)本章總結(jié)屈服強(qiáng)度隨溫度變化示意圖低