第六章切口强度与切口冲击韧性

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第六章切口强度与切口冲击韧性


6.1 前言

1 、广义的“切口”

切口的存在造成：应力应变集中和多向性。

二战事故分析的结论：

① 脆断钢板，其夏比 V 型切口试件冲击值 AKV 在 10℃ 时低于 15ft.lbf(20.34N.m) ；

② 韧性钢板，其 AKV 值在 10℃ 时高于 15ft.lbf 。


NbN A

Pmax

2 、切口强度：

用带切口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力 ( 净断面平均应力 ) ，记为 σbN ，


3 、切口敏感性

切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比 NSR： NSR=σbN ／ σb

若 NSR ＞ 1.0 ，表示材料对切口不敏感，或者说材料是切口韧性的；若 NSR ＜ 1.0 ，则材料对切口敏感，材料是切口脆性的 [60] 。


6.2 局部应力与局部应变

一受拉伸裁荷的薄板，其中的应力分布是均匀的。若在板的中心钻一圆孔，则在孔的周围应力分布发生了很大的变化如图 6-1 所示；在孔的边缘，拉应力最大，离孔边越远，应力越小。最后趋近于净断面平均应力，即名义应力σn 。

应力集中系数 Kt 的定义：

Kt=σmax/σn 。


图 6-1 受拉伸的中心圆孔扳


6.3 切口强度的实验测定

切口强度通常用切口圆柱试件 ( 见图 6-5(a)) 或双切口平板试件 ( 见图 6-5(b)) ，进行拉伸试验予以测定。切口几何的三个主要参数为：切口深度 t 、切口根部的曲率半径、切口张角切口强度：切口试件拉伸断裂最大载荷，除以切口处的净断面积。

切口断面收缩率，称为切口塑性 (Notch Ductility)。


图 6-5 切口试件与切口几何


图 6-7 零件中的切口根部塑性区（ 1 ）和材料元（ 2 ）

6.5 切口强度的估算

6.5.1 切口根部裂纹形成准则切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口根部形成裂纹，形成于切口根裂纹的亚临界扩展，当裂纹达到临界尺寸时发生断裂。裂纹在切口根部形成，可以假定是由切口根部材料元的断裂引起的，如图 6-7 所示。


(1) 脆性材料 ---- 脆性材料遵循正应力断裂准则。

Ktσni=σf (6-13)

式中 σni 为裂纹形成时切口试件所受的名义应力，或称切口根部裂纹形成应力。


(2) 塑性材料塑性材料遵循正应变断裂准则。

Ktσni= （ Eσfεf ） 1/2 (6-14) 公式 (6-14 ）是塑性材料的切口根部裂纹起始准则。

(Eσfεf ） 1/2 可以认为是工业金属结构材料理论强度值的一种量度。

公式 (6-14) 的力学意义是：当切口根部虚拟的弹性应力 Ktσn 达到理论断裂强度时，则裂纹在切口根部形成。


在平面应变状态下，切口根部裂纹形成准则为

Ktσni=0.64 （ Eσfεf ） 1/2 (6-15)

比较公式 (6-14) 和 (6-15) ，可以看出，平面应变状态下切口根部裂纹形成应力，仅为平面应力状态下的 64 ％。


切口敏感度系数：

btffbn KENSR //

切口强度比：

切口敏感度系数：

bfftbN EKNSRK /

当 Kt<KbN ， NSR>1.0 ；当 Kt>KbN ， NSR<1.0


冲击载荷与静载荷的主要在于加载速率不同；加载速率佷高，而后者加载速率低。加载速率用应力增长率 σ=dσ/dt 表示，单位为 MPa ／ s 。变形速率有两种表示方法：即绝对变形速率和相对变形速率。绝对变形速率为单位时间内试件长度的增长率 V=dl/dt ，单位为 m ／ s 。相对变形速率即应变速率， ε=dε/dt ，单位为 s-1 。

6.7 切口冲击韧性

6.7.1 冲击载荷的特点


● 弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械冲击时的绝对变形速率在 103m ／ s 以下。在弹性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率对金属的弹性性能没有影响。 ● 塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑性变形不能充分进行。 ● 静载 : 受的应力取决于载荷和零件的最小断面积。 ● 冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、形状和体积有关。


不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的；

零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的应力和应变也愈小。

含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多的能量，使局部应变和应变速率大为升高。

另一个特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑性。因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力学性能。


6.7.2 切口冲击韧性的测定

常用的冲击试验原理如图 6-9所示。


试验：质量m的摆锤，举至高度 H 势能 mgH1 ；锤释放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以 Ak 表示。剩余的能量使摆锤扬起高度 H2 ，故剩余的能量即为mgH2 。

Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2) (6-22)

Ak 的单位为 Kgf.m 或 J 。


图 6-9 摆锤冲击试验原理示意图

切口为 U 型：冲击韧性值： aKU=Ak/An

Ak 冲击功， AN 净断面积。

V 型切口：冲击韧性值： aKV = AK /An 。


6.7.3 切口冲击韧性的意义及应用

切口试什的断裂可能经历三个阶段：裂纹在切口根部形成，裂纹的亚临界扩展和最终断裂。切口试件的冲击断裂可能要吸收三部分能量：

裂纹形成能、亚临界扩展能、断裂能。

①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量，通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣、气泡、偏析、严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；

具体用途有：


②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；

③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值：

④评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。


6.8 低温脆性

金属材料的强度一般均随温度的降低而升高，而塑性则相反。

一些具有体心立方晶格的金属，如 Fe 、 Mo 和 W ，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低到零而变为脆性状态。这种现象称为低温脆性。


低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率问题。倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度 Tc 以下， σs>σf，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的；而在 Tc 以上， σs<σf ，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。


图 6-11 金属的强度和塑性随温度的变化 [12]


研究低温脆性的主要问题是确定韧脆 - 转化温度。实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功AK ，得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按一定的方法确定韧脆转化温度。

能量法：有下列几种：(1) 以 V 型切口冲击试件测定的冲击功 AK=15 ft 1bf(20.3N M) 对应的温度作为韧脆转化温度，并记为 V15TT。实践经验总结而提出的方法 .(2) 图 6-12 中的曲线有两个平台。上平台所对应的能量称为高阶能，下平台所对应的能量称为低阶能。将低阶能开始上升的温度定义为韧 - 脆转化温度，记为 NDT称为零塑性温度。在 NDT 以下，试件的断口为 100％的结晶状断。


图 6-12 各种确定韧脆转化温度的方法及所确定的韧 - 脆转化温度

(4) 高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧 - 脆转化温度，记为 FTT(Fracture Transition Temperature)．

(3)将高阶能开始降低的温度定义为韧 - 脆转化温度。记为 FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温度高于FTP，试件的断口为 100％的纤维状断口。


断口形貌法断口上有纤维区、放射区 ( 结晶区 ) 和剪切唇。在不同的温度下 , 上述三个区的相对面积是不同的；结晶区的面积随温度的变化，结晶区面积百分比的增大 ,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占 50％时的温度为韧脆转化温度，记为 50 ％ FATT(Fracture Appearance Transition Temperature) 。在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧 -脆转化温度。这是韧性的温度储备。韧性温度储备的大小取决于机件的重要程度。


图 6-13 冲击断口形貌示意图


影响因素：

钢的成分、组织和冶金质量。

a. 降低钢中的碳、磷含量；细化晶粒，热处理成低碳马氏体和回火素氏体，可提高高阶能；

b.增加钢中碳、磷、氧含量， Si 、 Al 含量超过一定值以及应变时效等，降低高阶能；形成上贝氏体以及应变时效，均提高韧脆转化温度；

c.增加镍含量，细化晶粒，形成低碳马氏体和回火索氏体，消除回火脆性等，将降低韧脆转化温度；

d.增加钢中镍、铜含量，有利于提高低阶能．


本章完

第六章 切口强度与切口冲击韧性

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