第五章缺口頂端應(yīng)力應(yīng)變分析演示文稿

第五章缺口頂端應(yīng)力應(yīng)變分析演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)§5-1缺口效應(yīng)一、缺口及缺口效應(yīng)：缺口：一般指試樣或工件的截面急劇變化處；鍵槽、油孔、臺(tái)階、螺紋缺口效應(yīng)：在缺口處由于缺口的存在，影響了應(yīng)力的分布狀態(tài)，使之出現(xiàn)：①應(yīng)力狀態(tài)變硬(由單向拉應(yīng)力變?yōu)槿蚶瓚?yīng)力)；②產(chǎn)生應(yīng)力集中。促發(fā)裂紋的生成與擴(kuò)展，不利于材料的塑變(位錯(cuò)運(yùn)動(dòng))，使材料在該處處于脆性狀態(tài)(即使該材料為塑性材料)，易于發(fā)生脆性斷裂；此應(yīng)力分布狀態(tài)的改變，即為缺口效應(yīng)。目前二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)由此推廣：①晶界、夾雜、組織不均勻處、粗大第二相、微裂紋及螺紋、尖角、倒角、臺(tái)階半徑過(guò)小處，均有類(lèi)似改變應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)；②溫度的下降或形變速率的增加也有不利塑變的作用，也可導(dǎo)致缺口效應(yīng)。目前三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)缺口改變了應(yīng)力狀態(tài)，如：應(yīng)力集中；由應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)變集中；形成雙向或三向應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致缺口附近屈服強(qiáng)度提高，塑性變形困難，使材料脆化；缺口附近的應(yīng)變速率增高。統(tǒng)稱(chēng)為缺口效應(yīng)，導(dǎo)致力學(xué)性能的改變。§5-2

缺口頂端應(yīng)力、應(yīng)變分析目前四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)1）薄板X(qián)YZ無(wú)缺口時(shí)，整個(gè)截面上應(yīng)力均勻分布。應(yīng)力集中和應(yīng)變集中現(xiàn)象1彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布目前五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)有缺口時(shí)，缺口處不能承受外力，這部分外力由近缺口處材料來(lái)承擔(dān)，因而缺口根部應(yīng)力最大，離開(kāi)缺口根部應(yīng)力逐漸減小，一直到某一恒定值。（如圖所示）目前六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)這用由于缺口造成的局部應(yīng)力增大的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中系數(shù)：σmax為缺口根部缺口根部的最大應(yīng)力,σn為凈截面上的名義應(yīng)力。在彈性范圍內(nèi)，Kt的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀與尺寸。對(duì)給定的缺口形狀，可通過(guò)公式計(jì)算或有圖表可查。《機(jī)械工程手冊(cè)》目前七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)是怎樣產(chǎn)生的？薄板缺口拉伸時(shí)彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖目前八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

會(huì)引起縱向伸長(zhǎng)，必然引起橫向收縮。由于缺口使隨x發(fā)生變化，從大到小到恒定，引起的縱向伸長(zhǎng)也由大到小，如果從缺口根部把薄板分成許多微元，微元的縱向伸長(zhǎng)沿x方向由大到小，這種變形不均勻使微元之間存在相互制約在x方向產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力

目前九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

由于板很薄，z向收縮變形不受限制，薄板的這種受力狀態(tài)稱(chēng)為平面應(yīng)力狀態(tài)：在x=0處的微元可自由伸長(zhǎng)，；在遠(yuǎn)離缺口處

恒定，也為0，必有一極大值，在變形梯度較大的缺口附近處。所以缺口薄板受拉伸時(shí)，產(chǎn)生了雙向應(yīng)力。目前十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)的大小在與之間。2）厚板(板的厚度相對(duì)于缺口或裂紋深度足夠大)由于板很厚，在厚度方向上的變形受到約束產(chǎn)生，。

因?yàn)椋鶕?jù)胡克定律

厚板的這種受力狀態(tài)稱(chēng)為平面應(yīng)變狀態(tài)。目前十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)厚板缺口拉伸時(shí)，彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖(a)沿x方向的應(yīng)力分布(b)沿z方向的應(yīng)力分布目前十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)當(dāng)缺口根部發(fā)生塑性變形后，，，的最大值都不在根部，而是移動(dòng)到彈塑性變形的交界處。（如圖所示）缺口根部發(fā)生塑性變形的應(yīng)力分布圖（平面應(yīng)變）2塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布目前十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)根據(jù)屈雷斯加判據(jù)

缺口根部，，是兩向應(yīng)力狀態(tài)；

缺口內(nèi)側(cè)，是三向應(yīng)力狀態(tài)。

結(jié)果使材料塑性變形變得困難，材料脆化。對(duì)塑性好的材料，缺口使材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度升高，但塑性降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“缺口強(qiáng)化”。目前十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)試驗(yàn)機(jī)夾頭速率：v=dl/dt試樣應(yīng)變速率：ε’=dε/dt，dε=dl/lε’=dε/dt=dl/l/dt=dl/dt×1/l=v/l缺口處應(yīng)變速率提高現(xiàn)象如果光滑試樣的工作長(zhǎng)度l為100mm，缺口附近的工作長(zhǎng)度l=1mm，缺口附近的應(yīng)變速率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。目前十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)缺口帶來(lái)的危害（缺口效應(yīng)）：應(yīng)力集中；應(yīng)變集中；應(yīng)變速率提高；引起兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)，使塑變困難，材料脆化。目前十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)§5-3缺口試樣靜載力學(xué)性能一、缺口試樣的靜拉伸和靜彎曲性能1缺口試樣的靜拉伸與光滑試樣拉伸時(shí)比較，缺口引起了加載的變化----缺口效應(yīng)不同材料缺口效應(yīng)不同，為了比較各種材料的缺口敏感程度，常進(jìn)行缺口靜拉伸試驗(yàn)。缺口靜拉伸試驗(yàn)的目的，常用于評(píng)定高強(qiáng)度螺栓等零件的性能。目前十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)目前十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)圖中(a)、(b)分別表示用于缺口靜拉伸試驗(yàn)的圓形截面試樣和矩形截面試樣。(c)表示代表缺口形狀的3個(gè)主要參數(shù)：δ為缺口深度，ω為缺口角，ρ為缺口曲率半徑。目前十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)試驗(yàn)過(guò)程：材料在進(jìn)行缺口拉伸試驗(yàn)時(shí)，斷裂情況有三種：

（1）材料在制成缺口試樣進(jìn)行拉伸時(shí)，缺口根部只有彈性變形而失去了塑性變形能力，這時(shí)缺口截面上的應(yīng)力分布如圖中的曲線1所示。缺口試樣變形時(shí)應(yīng)力分布情況圖目前二十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)脆斷，斷口為放射狀，拉伸曲線為直線；斷口形貌如圖(a)所示。目前二十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)(2)在缺口根部可發(fā)生少量塑性變形，這時(shí)最大軸向應(yīng)力σmax已不在缺口頂端的表面處，而是位于塑性變形區(qū)和彈性區(qū)的交界處，如圖的曲線2、3所示。缺口試樣變形時(shí)應(yīng)力分布情況圖目前二十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)根部有微小塑性區(qū)，然后斷裂，斷口在缺口根部有一圈塑性斷口，中部為放射狀，拉伸曲線由直線開(kāi)始改變，斜率微小下降；斷口形貌如圖(b)所示。目前二十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)缺口試樣變形時(shí)應(yīng)力分布情況圖(3)如果材料的斷裂抗力遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度，則隨著載荷的增加。塑性區(qū)可以不斷向試樣中心擴(kuò)展，位于彈塑性交界處的最大軸向應(yīng)力σmax也相應(yīng)地不斷向中心移動(dòng)，如塑性變形能擴(kuò)展到試樣中心，即出現(xiàn)沿缺口截面的全面屈服。此時(shí)σmax出現(xiàn)在試樣中心位置，如右圖中曲線6所示。目前二十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)斷口為全部塑性特征，拉伸曲線上出現(xiàn)曲線部分。斷口形貌如圖(c)所示。此時(shí)，σbn>σb目前二十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)目前二十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

用缺口強(qiáng)度比NSR（缺口拉伸強(qiáng)度比光滑試樣靜拉伸強(qiáng)度）作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo)。NSR與缺口敏感性成反比：比值越大，缺口敏感性越小。目前二十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)材料缺口敏感度影響因素

材料缺口敏感性除與材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)(加載方式)有關(guān)外，還與缺口形狀、尺寸、試驗(yàn)溫度有關(guān)。目前二十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)缺口拉伸試樣的標(biāo)準(zhǔn)缺口張角450≤ω≤600；缺口根部截面直徑10mm≤dn≤20mm；缺口根部曲率半徑ρ≤0.1mm；（d02-dn2)/d02＝50%目前二十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

無(wú)偏斜的缺口拉伸試驗(yàn)，往往顯示不出組織與合金元素的影響。缺口偏斜拉伸試驗(yàn)就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)條件下，來(lái)檢驗(yàn)與對(duì)比不同材料或不同工藝所表現(xiàn)出的性能差異。2缺口試樣的偏斜拉伸目前三十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)目前三十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)3缺口試樣靜彎曲光滑試樣的靜彎曲試驗(yàn)的目的：評(píng)定工具鋼或脆性材料（陶瓷等）的力學(xué)性能。缺口靜彎曲試驗(yàn)的目的：評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。試樣尺寸：10×6×60mm或者10×10×55mm，缺口深度為2mm，夾角為60o的V型或U型缺口。目前三十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)靜彎試驗(yàn)請(qǐng)看動(dòng)畫(huà)演示。目前三十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

試驗(yàn)結(jié)果：缺口靜彎曲線P－f曲線圖材料1在曲線上升部分?jǐn)嗔?，殘余撓度很小，表示?duì)缺口敏感；材料2在曲線下降部分?jǐn)嗔?，殘余撓度較大，表示缺口敏感度低；材料3彎曲不斷，材料對(duì)缺口不敏感。材料1材料2材料3目前三十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)I－彈性變形部分，彈性功II－塑性變形部分，塑性功III－斷裂部分，斷裂功III代表當(dāng)裂紋產(chǎn)生后，材料阻礙裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的能力，通常以Pmax/P的大小來(lái)表示裂紋敏感度。缺口靜彎曲線與靜拉伸曲線相似，也分為三個(gè)階段：目前三十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)曲線只有I表示材料對(duì)缺口極為敏感（脆化）；曲線只有I＋I(xiàn)I表示材料對(duì)缺口敏感；曲線有I＋I(xiàn)I＋I(xiàn)II表示材料對(duì)缺口不敏感，III區(qū)越大，缺口敏感性越小。（定性分析）（定量分析用材料的斷裂韌性）目前三十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)§5-3缺口試樣在沖擊載荷下的力學(xué)性能

一、沖擊載荷彈性力學(xué)行為以聲速傳播，一般的沖擊載荷的加載及變形速度均遠(yuǎn)小于聲速，故沖擊載荷對(duì)彈性力學(xué)形為無(wú)影響；塑性變形的傳播速度取決于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度及增殖速度，在沖擊載荷下，塑性變形來(lái)不及充分、均勻地進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)也證明：沖擊載荷下塑性變形集中于某些局部區(qū)域，分布極不均勻；目前三十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)沖擊載荷的作用持續(xù)時(shí)間短，其應(yīng)力狀態(tài)不易準(zhǔn)確及時(shí)地測(cè)量（有示波沖擊試驗(yàn)機(jī)可作，但也不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動(dòng)大，分散性大，且試驗(yàn)設(shè)備昂貴）。沖擊載荷下一般只測(cè)定試樣在變形的各階段或總階段所吸收的能量。目前三十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)二、缺口沖擊試驗(yàn)：試樣：10×10×55(mm)；開(kāi)有2mm深的U形或V形缺口，分別稱(chēng)為梅氏試樣或夏氏試樣，特脆材料可不開(kāi)缺口。U型缺口沖擊試驗(yàn)原理：能量原則——擺錘沖斷試樣前后所產(chǎn)生的能量損失AK(J)

；AK=mg(H1-H2)αK=AK/FF=8×10(mm2)目前三十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

缺口沖擊試驗(yàn)斷口：目前四十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)試樣：10×10×55(mm)；開(kāi)有2mm深的U形或V形缺口，分別稱(chēng)為梅氏試樣或夏氏試樣，特脆材料可不開(kāi)缺口。沖擊試驗(yàn)原理：能量原則——擺錘沖斷試樣前后所產(chǎn)生的能量損失AK(J)

；AK=mg(H1-H2)αK=AK/FF=8×10(mm2)三、沖擊韌性αK值:材料在受到?jīng)_擊載荷的作用下發(fā)生斷裂時(shí)所吸收的能量總和。沖擊韌性αK值：為綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力大小。理論上常用AK代替αK目前四十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)αK值：任何能提高材料的強(qiáng)度而不降低塑性、或提高塑性而不降低強(qiáng)度的因素均可以提高材料的αK值。它表征了材料在不斷裂情況下能夠承受的最大沖擊能量，綜合了強(qiáng)度與塑性兩方面的影響，并且對(duì)材料的組織缺陷非常敏感，特別適于生產(chǎn)中的質(zhì)量管理控制。

αK值常用于評(píng)定材料的韌、脆性品質(zhì)，是鋼材由鋼廠出廠時(shí)必須達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)(σS,σb,δ,ψK,αK)；在設(shè)計(jì)中作為保證受沖擊構(gòu)件的安全性的主要指標(biāo)使用。但理論界認(rèn)為αK值對(duì)材料的韌性的描述和意義有很大的局限性和不準(zhǔn)確性。目前四十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)理論界認(rèn)為：1.αK值無(wú)明確的物理意義：AK有明確物理意義：為沖斷試樣所消耗的總功（試樣斷裂所吸收的總能量）。但該能量在試樣橫載面上的消耗和分布是極不均勻的，絕大多數(shù)被吸收在缺口附近，故AK/F僅為數(shù)學(xué)值，無(wú)物理意義；AK所包含也不僅為試樣斷裂分離時(shí)所吸收，還有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)變成了熱能，但這部分熱能在工程構(gòu)件受實(shí)際的沖擊并致斷裂時(shí)也會(huì)產(chǎn)生，不能想辦法完全地將其消除；但AK值與F也有關(guān)系，且無(wú)法排除F對(duì)其影響，只得仍以AK/F來(lái)近似消除。三、沖擊韌性：目前四十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)2.AK值相同時(shí)材料，其韌性也不一定相同：示波沖擊：載荷—時(shí)間（或撓度）曲線：AK則分為三個(gè)部分，AⅠ、AⅡ、AⅢ；其中AⅠ為彈性功，只有AⅡ與AⅢ（尤其是AⅢ）的大小才真正表示了材料的斷裂的韌脆狀態(tài)，但AK值高并不一定AⅡ、AⅢ也高；后有人提出以AⅢ或AⅡ+AⅢ來(lái)表達(dá)材料的沖擊韌性(記為：Ap)，然而卻給不出其簡(jiǎn)便的測(cè)試方法；且完全地排除彈性變形功AⅠ對(duì)材料抗沖擊破壞的貢獻(xiàn)，也有不合理的地方，且在工程上的應(yīng)用也不現(xiàn)實(shí)。目前四十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)因此盡管理論界認(rèn)為αK值對(duì)材料的韌性的描述和意義有很大的局限性和不準(zhǔn)確性，但又提不出一個(gè)理論意義明確的且測(cè)試方法簡(jiǎn)便易行的指標(biāo)來(lái)代替之。在生產(chǎn)實(shí)踐中只得繼續(xù)使用αK值，顯示了αK值強(qiáng)大的生命力。目前四十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)而αK值的生命力體現(xiàn)在其工程應(yīng)用上：1.長(zhǎng)期的廣泛應(yīng)用，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)資料非常實(shí)用且有效；2.檢測(cè)簡(jiǎn)便易行，檢測(cè)設(shè)備價(jià)格低廉；3.對(duì)材料內(nèi)部的組織缺陷，對(duì)材料的品質(zhì)、宏觀缺陷、材料顯微組織的變化非常敏感；4.生產(chǎn)實(shí)踐證明：作為控制和檢驗(yàn)冶煉、熱加工(鍛、軋、焊、熱處理)質(zhì)量的力學(xué)性能指標(biāo)非常有效。目前四十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

㈠評(píng)定材料的冶金質(zhì)量及熱加工質(zhì)量及組織缺陷:---沖擊韌性αK值對(duì)其非常敏感1.夾雜（渣）、氣泡、帶狀偏析；2.過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、脫碳、網(wǎng)狀組織、粗大碳化物、白點(diǎn)、回火脆性、淬火裂紋、鍛造裂紋、壓力加工后組織的各向異性等等等等；對(duì)組織缺陷：αK最為敏感；塑性指標(biāo)δ、ψK敏感，強(qiáng)度指標(biāo)σb、σS較為敏感；而彈性模量E對(duì)組織不敏感。試驗(yàn)要求：試樣合理的缺口型式，使材料處于半脆性狀態(tài)內(nèi)進(jìn)行，而對(duì)一般鋼材，梅氏試樣可滿足該要求（該要求提高了試驗(yàn)的敏感性）。四、沖擊韌性αK值的應(yīng)用：目前四十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)㈡評(píng)定材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化趨勢(shì)：——系列沖擊試驗(yàn)1.低溫系列溫度沖擊試驗(yàn)：-測(cè)定評(píng)價(jià)材料的冷脆轉(zhuǎn)變成份、熱處理及壓力加工工藝完全相同的試樣分組分別在不同的溫度T℃下進(jìn)行沖擊韌性αK值的測(cè)試：測(cè)試溫度范圍由-60℃(或-80℃)—+40℃，測(cè)出每組的αK值(平均)，作出其αK—T℃變化關(guān)系曲線，稱(chēng)為系列沖擊曲線?？捎汕€得到冷脆轉(zhuǎn)變溫度FATT（斷口有50%脆斷區(qū)或結(jié)晶斷裂區(qū)）或TKTK對(duì)應(yīng)著αK值=15英尺.磅(=20.3N.M)時(shí)的溫度值。目前四十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)2.回火系列溫度沖擊試驗(yàn)：-測(cè)定評(píng)價(jià)材料的回火脆性同一成分及狀態(tài)的試樣，經(jīng)淬火處理后分別在一系列不同的溫度T℃下回火，再在常溫進(jìn)行沖擊韌性αK值的測(cè)試：作出其αK與回火T℃的變化關(guān)系曲線，稱(chēng)為回火系列溫度沖擊曲線，找到其相應(yīng)的回火脆性的溫度范圍。回火脆性：分低溫回火脆、高溫回火脆、再結(jié)晶回火脆（回火加熱溫度:A1~A3，有兩相混合組織，各占50%時(shí)αK最低）。目前四十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)㈢確定應(yīng)變時(shí)效的時(shí)間敏感性；㈣作為受大能量沖擊的構(gòu)件的材料的設(shè)計(jì)指標(biāo)：一般地要求：T℃=4.4℃時(shí)，AK≥15英尺.磅(20.3N.m)，如AK<10J時(shí)，材料易于脆斷。目前五十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)5.5低溫脆性及其評(píng)定一、低溫脆性現(xiàn)象體心立方金屬及合金、某些密排六方金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度Tk時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這即低溫脆性，轉(zhuǎn)變溫度Tk稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，亦稱(chēng)冷脆轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)際上由于材料化學(xué)成分的統(tǒng)計(jì)性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度不是一個(gè)溫度，而是一個(gè)溫度區(qū)間。

目前五十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。目前五十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)目前五十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

泰坦尼克號(hào)鋼板和現(xiàn)代鋼板的實(shí)際沖擊結(jié)果示于下圖。在－2℃的海水中，泰坦尼克號(hào)鋼板縱、橫向試驗(yàn)中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現(xiàn)代鋼板縱向試驗(yàn)中吸收能為325焦耳，橫向試驗(yàn)中吸收能為100焦耳。目前五十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

下圖是建造中的Titanic號(hào)。Gannon的文章指出，在水線上下都由10張30英尺長(zhǎng)的高含硫量脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見(jiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開(kāi)時(shí)，脆性的焊縫無(wú)異于一條300英尺長(zhǎng)的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長(zhǎng)的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒(méi)。目前五十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)二、韌脆轉(zhuǎn)變的物理本質(zhì)

斷裂強(qiáng)度σc隨溫度的變化較小，而屈服強(qiáng)度σs對(duì)溫度十分敏感，隨溫度降低，屈服強(qiáng)度升高，兩者的交點(diǎn)tk即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。T＞Tk,σc＞σs

先屈服再斷裂

韌性斷裂T＜Tk,σc＜σs

先達(dá)到σc

脆性斷裂目前五十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)三、系列溫度沖擊試驗(yàn)

評(píng)定材料低溫脆性的最簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法是系列溫度沖擊試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣，在從高溫（通常為室溫）到低溫的一系列溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)定材料沖擊功隨溫度的變化規(guī)律，揭示材料的低溫脆性傾向。目前五十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)四、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的評(píng)定

1、能量準(zhǔn)則以低階能開(kāi)始上升的溫度定義為T(mén)k，記為NDT，稱(chēng)無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。無(wú)預(yù)先塑性變形斷裂對(duì)應(yīng)的溫度，最易確定Tk的準(zhǔn)則。在NDT以下，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。以高階能對(duì)應(yīng)的溫度定義為T(mén)k，記為FTP。最保守的定義Tk的方法。在FTP以上，100%纖維狀斷口。以低階能和高階能的平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義Tk，記為FTE。

目前五十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)2、斷口形貌準(zhǔn)則

溫度下降，纖維區(qū)面積突然減小，結(jié)晶區(qū)面積突然增大。FATT50－沖擊試樣斷口中結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50％時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度tk，亦可記為50％FATT或t50。評(píng)定方法按GB/T12778-91《金屬夏比沖擊斷口測(cè)定方法》，測(cè)量時(shí)剪切唇按纖維區(qū)處理。斷口形貌準(zhǔn)則主要用于正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)鋼材的評(píng)定。目前五十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)目前六十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)目前六十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)3、斷口變形特征準(zhǔn)則試樣沖斷時(shí)，缺口根部收縮，試樣背面膨脹，規(guī)定用試樣背面膨脹量達(dá)0.38mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，作為脆性轉(zhuǎn)變溫度。目前六十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)五、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的意義Tk是金屬材料的韌性指標(biāo)，它反映了溫度對(duì)韌脆性的影響。Tk是安全性指標(biāo)，可用于抗脆斷設(shè)計(jì)，保證機(jī)件服役安全。Tk是估計(jì)低溫服役機(jī)件最低使用溫度的依據(jù)，選用的材料應(yīng)具有一定韌性溫度儲(chǔ)備。韌性溫度儲(chǔ)備：Δ＝T0－TkT0－使用溫度一般Δ取40－60℃，重要機(jī)件取60℃，非重要機(jī)件取20℃，中間取40℃。

目前六十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)幾種鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度材料σs/Mpa20J準(zhǔn)則0.38mm準(zhǔn)則50FATT準(zhǔn)則熱軋C-Mn鋼210271746熱軋低合金鋼385－24－2212淬火－回火鋼618－71－67－54Tk與定義方法、外界因素等有關(guān)。按上述三種準(zhǔn)則確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度并不等效，從表中幾種鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可以看出，20J準(zhǔn)則與0.38mm準(zhǔn)則比較接近。目前六十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

由此可見(jiàn)，脆性轉(zhuǎn)變溫度是相對(duì)的，只有按同一準(zhǔn)則確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度才有可比性。此外，在一定條件下用試樣測(cè)定的脆性轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際結(jié)構(gòu)或零件的脆性轉(zhuǎn)變溫度是不同的。所以對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的脆性評(píng)定，應(yīng)發(fā)展更接近實(shí)際工況條件的試驗(yàn)方法。目前六十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)六、落錘試驗(yàn)

普通沖擊彎曲試驗(yàn)試樣尺寸過(guò)小，不能反映實(shí)際構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)，而且結(jié)果分散性大，不能滿足一些特殊要求。為了克服這一困難，Pellini等人提出了落錘試驗(yàn)方法。落錘試驗(yàn)法：用于測(cè)定全厚鋼板的NDT，作為評(píng)定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。試樣厚度與實(shí)際使用板厚相同，典型尺寸：25*90*350mm19*50*125mm16*50*125mm目前六十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)試驗(yàn)中隨試樣溫度下降，其力學(xué)行為發(fā)生如下變化：不裂→拉伸側(cè)表面部分形成裂紋但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→試樣斷成兩部分一般規(guī)定裂紋能擴(kuò)展到試樣一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，其含義實(shí)際是鋼板彈性開(kāi)裂的最高溫度，當(dāng)T<NDT時(shí)，鋼板碎裂；T>NDT時(shí)，含有大裂紋的試板不會(huì)碎裂。目前六十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)

落錘試驗(yàn)的不足是：對(duì)脆斷不能給予定量評(píng)定，因?yàn)樵囼?yàn)采用動(dòng)載荷，其結(jié)果能否用于靜載荷尚需研究，此外，板厚的影響亦未考慮。目前六十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)斷裂分析圖

通過(guò)落錘試驗(yàn)求得的NDT可以建立斷裂分析圖(FAD)，它是表示許用應(yīng)力、缺陷和溫度之間關(guān)系的綜合圖，明確提供了低強(qiáng)度鋼構(gòu)件在溫度、應(yīng)力和缺陷聯(lián)合作用下脆性斷裂開(kāi)始和終止的條件。應(yīng)用：斷裂分析圖為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆斷設(shè)計(jì)和選材提供依據(jù)；可用來(lái)分析脆性斷裂事故。不足：未考慮加載速度和板厚的影響（25mm低強(qiáng)度鋼建立）

目前六十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)防斷裂設(shè)計(jì)參考判據(jù)在落錘試驗(yàn)測(cè)得的NDT和大量同類(lèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Pellini等提出了對(duì)低強(qiáng)度鐵素體鋼NDT的應(yīng)用，建議了四個(gè)防斷裂設(shè)計(jì)參考判據(jù)：1、T工作≥NDT，由于NDT表示小裂紋可作為裂源引起脆裂的臨界溫度。工作溫度要求在NDT以上，允許的應(yīng)力水平限制在35－56Mpa。2、T工作≥NDT＋17℃，允許σ工作≤σs/2，意即名義應(yīng)力低于σs/2，且溫度高于NDT＋17℃時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，該參考判據(jù)提供了σ＜σs/2時(shí)的止裂溫度界限。目前七十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于七點(diǎn)3、T工作≥NDT＋33℃，允許σ工作≤σs，意即名義應(yīng)力低于σ