金属缺口试样的力学性能

金属缺口试样的力学性能§1缺口效应一、缺口及缺口效应：缺口：一般指试样或工件的截面急剧变化处；缺口效应：在缺口处由于缺口的存在，影响了应力的分布状态，使之：①应力状态变硬(由单向拉应力变为三向拉应力)；②产生应力集中；促发裂纹的生成与扩展，不利于材料的塑变(位错运动)，使材料在该处处于脆性状态(即使该材料为塑性材料)，易于发生脆性断裂；此应力分布状态的改变，即缺口效应。由此推广：①晶界、夹杂、组织不均匀处、粗大第二相、微裂纹及螺纹、尖角、倒角、台阶半径过小处，均有类似改变应力状态的效应；②ToC的下降或形变速率的增加也有不利塑变的作用，也可导致缺口效应。二、缺口应力分布：圆柱型缺口试样，单向拉伸：1、在远离缺口处，仅有轴向应力σL，且其应力线分布均匀；切向应力σt和法向应力σr均为零；tr2、在缺口附近，轴向应力的应力线在缺口根部发生弯曲，变成非均匀分布(于近根部处分布较密），形成应力集中，并产生三向拉应力：轴向应力σL、法向应力σr、切向应力σt；在缺口根部：σL分布不均匀，且由于缺口上下出现无应力区，将阻止缺口附近截面的正常收缩，因而出现了σr、σt，其分布见上图左半部，图的右半部为应力状态柔性系数α的分布曲线（α0.5）而应力分布的不均匀程度可用应力分配系数K表示。Kσmax其值大小，取决于缺口根部半径(可由设计手册查得)σ均如：薄板：σt=0，为平面应力状态：σ=（σ1，σ2，0）厚板：εt=0；为平面应变状态：ε=(ε1，ε2，0)，实际上是三向拉应力状态：σ=[σ1，σ2，μ(σ1+σ2)]ε3=[σμ(σ1+σ2)]/E=0==σ3=μ(σ1+σ2)综上分析所述，缺口：1）引起应力集中(或分布不均匀)：包括轴向应力σL，法向应力σr和切向应力σt；2）引起三向拉应力；此即为缺口效应之二个方面的表现三、塑性状态下缺口的应力分布：由于应力分布不均匀，在拉伸过程中屈服时的塑性变形将不会在材料内部同时均匀进行，是由缺口根部先局部进行并逐渐过度到材料内部τmax=(σ1-σ3)/2=(σL-σr)/2表面τmax仍为最大；当τmaxτs=σs/2，即σL-σrσs(表面σr=0)时，材料发生屈服并使表面的应力发生松驰，σL应力峰值向内移动；由于τmax=(σL-σr)/2，而在表面σr=0，并在一定深度σr达到最大值，即开始时σr是增加的，故σL也须增加才能使屈服和塑性变形继续向内移，即需提高P。但提高P也会使得σr增加，且塑性变形时变形量远较弹性变形的变形量大，为维持整体的连续变形，σr须增加较多。也必然使σL的峰值大大增加。随着外力P的继续增加，屈服也由表及里地进行着，σL分布则出现最大值，并且该最大值随着应力的增加而也由表及里地移动着，并标志着屈服区与纯弹性变形区的分界，并最终可能使得缺口试样总的σs(记为σsN)大幅提高并超过光滑位伸试样的σs，且σb也可有同样现象出现：即：σsNσs；σbNσb；又叫“缺口强化”，此即为缺口效应的第三种表现Note：“缺口强化”仅出现于塑性材料；对于脆性材料，其σs(τs)接近于σb(τb)，即当σmax(τmax)σs(τs)后，缺口根部仅产生了少量的塑性变形即因其σmax达到σb而断裂，使σs(τs)尚未能大幅增加时就发生早期脆断，其σbNσb故而：qe(或NSR)=σbN/σb表示了材料的缺口敏感度：一般：qe1称该材料对缺口不敏感；qe≤1则称该材料对缺口敏感对qe的测试试验叫缺口试验。§2缺口试验一、缺口拉伸：一般仅测σbN值，并与σb比较；不测σsN一般如qe1(σbNσN)，就叫材料对缺口不敏感；反之为敏感。但缺口试样的断面收缩率ψKN肯定低于ψK，但ψKN不易测量，也不常使用缺口试样偏斜拉伸试验：采用更硬的应力状态来对材料对缺口的敏感性进行测试：一般采用在试样拉伸夹头上放置一偏斜垫圈（倾角为0o、4o、8o三种）的方式也只测σbN值和计算qe值。二、缺口静弯曲试验由于弯曲试验不能用于塑性较好的材料，故常用缺口试样以增加其局部应力集中，使及其应力状态系数变硬，其塑性仍以扰度来表示；除σbbN外还可测量其三个能量吸收区：Ⅰ区：弹性区Ⅱ区：弹塑性变形区Ⅲ区：断裂区(裂纹扩展区)其面积分别表示所吸收的能量为：UⅠ弹性功；UⅡ塑性功；UⅢ裂纹扩展功其中，UⅡ、UⅢ表示了材料的抗塑变能力及对裂纹扩展的抗力，以及缺口对抗力的影响。§3缺口试样在冲击载荷下的力学性能一、冲击载荷由于外力作用持续时间短，其应力状态不易准确及时测量（有示波冲击试验机可作，但也不稳定，数据波动大，分散性大，且试验设备昂贵）。在冲击载荷下，一般以试样在变形各阶段或总阶段所吸收的能量为测试目标。弹性变形：声速进行传播，而一般冲击载荷的加载速度及变形速度均远小于声速，故变形速度对弹性形为无影响(如弹性模量等)。塑性变形的传播速度由位错的运动速度及增殖速度所决定，一般均小于冲击载荷的加载速度，使塑性变形来不及充分、均匀地进行；冲击加载实验也证明：冲击载荷下，塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均匀；一般地，加载速度提高，可大大提高材料的屈服强度。1）脆性材料：冲击加载使其强度上升不大而塑性、韧性下降，并提高该类材料的脆性断裂倾向(解理断裂)；2）高塑性材料：冲击加载可大幅地提高其σs及σb，而其塑性、韧性则变化不大，甚至有所增加；其断裂方式仍保持塑性方式。由此看来，材料在冲击载荷下的断裂方式与在静载下的断裂形为的关联性很高。二、缺口冲击试验：试样：尺寸：10×10×55(mm)；开有2mm深的U形或V形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。冲击试验：原理——能量原则——摆锤冲断试样前后所产生的能量损失AK；AK=G(H1-H2)αK=AK/FF=8×10mm2三、冲击韧性：αK值——常规叫冲击韧性，为一个综合性的力学性能指标，任何能提高材料的强度而不降低塑性、或提高塑性而不降低强度的因素均可以提高材料的αK值。一般将其作为衡量材料抵抗冲击载荷破坏的能力大小的力学性能指标。常用于评定材料的韧、脆性程度，是钢材由冶炼厂出厂时必须达到的五个力学性能指标之一（σs、σb、δ、ψK、αK）；并且对结构钢来说其重要性要高于其它四个指标；在设计中是作为保证受冲击构件的安全性的主要指标之一。它表征了材料在不断裂情况下能够承受的最大冲击能量，综合了强度与塑性两方面的影响，并且对材料的组织缺陷非常敏感，特别适于生产中的质量管理控制。但现在理论界认为αK值对材料的韧性的描述和意义有很大的缺陷及不准确，但又提不出一个（测试）简便易行的以及理论意义明确的指标及其测试法代替之。故仍只得在生产实践中继续使用αK值，显示了其强大的生命力。理论界认为：1、αK值无明确物理意义：AK有明确物理意义，为冲断试样所消耗的总功（试样断裂所吸收的总能量）。但该能量在试样横载面上的消耗分布是极不均匀的，绝大多数被吸收在缺口附近，故AK/F仅为数学值，无物理意义；AK所包含也不仅为试样断裂分离时所吸收，还有相当一部分转变成了热能，可这部分热能在工程构件受实际的冲击并致断裂时也会产生，不能完全地想办法将其消除；且AK值与F也有关系，且无法排除F对其影响，只得仍以AK/F来近似消除。2、AK相同时材料，其韧性也不一定相同：示波冲击：载荷—时间（或挠度）曲线：AK则分为三个部分，AⅠ、AⅡ、AⅢ；其中AⅠ为弹性功，只有AⅡ与AⅢ（尤其是AⅢ）的大小才真正表示了材料的断裂的韧脆状态，故AK值高并不一定AⅡ、AⅢ也高；后有人提出以AⅢ或AⅡ+AⅢ来表达材料的冲击韧性(记为：Ap)，然而却给不出其简便的测试方法；且完全地排除弹性变形功AⅠ对材料抗冲击破坏的贡献，也有不合理的地方，且在工程上的应用也不现实。而αK值的生命力体现在其应用上：1、长期广泛应用，积累了大量经验数据资料，这些数据资料非常实用且有效；2、检测简便易行，检测设备价格低廉；3、对材料内部的组织缺陷，对材料的品质、宏观缺陷、材料显微组织的变化非常敏感；4、生产实践证明：作为控制和检验冶炼、热加工(锻、轧、焊、热处理)质量的力学性能指标非常有效四、冲击韧性αK值应用：（一）评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷，冲击韧性αK对其非常敏感1、夹杂（渣）、气泡、带状偏析；2、过热、过烧、氧化、脱碳、网状组织、粗大碳化物、白点、回火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压力加工后组织的各向异性；对组织缺陷：αK最为敏感；塑性指标δ、ψK敏感，强度指标σb、σs较为敏感；而弹性模量E对组织不敏感。要求：试样尺寸与缺口型式，应使材料处于半脆性状态温度范围内进行，而对一般钢材，梅氏试样可满足该要求（该要求使试验的敏感性提高）。（二）评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：——系列冲击试验1、低温系列温度冲击试验：——测定和评价材料的冷脆转变成份、热处理及压力加工工艺完全相同的试样分组分别在不同的温度T℃下进行冲击韧性αK值的测试：测试温度范围由-60℃(或-80℃)—+40℃，测出每组的αK值(平均)，作出其αK—T℃变化关系曲线，称为系列冲击曲线。并可由曲线得到冷脆转变温度FATT（50%脆断区、结晶区）或TK具体有关冷脆转变温度FATT或TK的内容，将在下节中单独讨论。TK对应着αK值=15英尺.磅(=20.3N.M)时的温度值。2、系列回火温度冲击试验：——测定和评价材料的回火脆性同一材料及压力加工状态的所有试样，在淬火处理后分组分别在一系列的温度T℃下回火，再在常温进行冲击韧性αK值的测试：测出每组的αK值(平均)，作出其αK~回火T℃变化关系曲线，称为回火系列温度冲击曲线；其回火温度范围视具体材料及测评内容要求而定，可争对回火脆性温度范围具体制定。回火脆性：分低温回火脆、高温回火脆、再结晶回火脆（回火加热温度：A1~A3，有两相混合组织，各占50%时αK最低）。（三）确定应变时效的时间敏感性；（四）作为受大能量冲击的构件的材料的设计指标：一般地要求：T℃=4.4℃时，AK≥15英尺.磅(20.3N.m)，如αK（AK）10时，材料易于脆断。§4低温脆性一、冷脆转变：现象：bcc或hcp的金属及其合金，当温度T℃低于某一温度TK时，材料将由韧性状态转变为脆性状态：其αK值明显下降；断口形貌特征由纤维状(微孔聚集撕裂状)转变为结晶状(或解理断口)。该现象称为冷脆转变或低温脆性，TK为冷(韧)脆转变温度。对一些在可能低温下使用的机件，其用材必须考虑冷脆转变的影响，如船舶、桥梁、压力容器、汽车、航空航天、坦克、工程机械等。物理本质：——σs和σb与温度T℃的关系曲线：σs和σb均是T℃的减函数，随着T℃的增加而降低，但σs受T℃影响变化更大一些，故二者将会有一个交叉点K：其温度T℃=TK，当T℃TK时，将会出现：σbσs的现象，即材料没有先屈服变形就直接发生了断裂，即为脆性断裂。而T℃对σs的影响：①T℃的降低，使位错受“柯氏气团”的影响而更不易开动，导致σs的增加，不能松驰应力而增加的应力的集中，最终促进了材料的脆性断裂倾向；②T℃的降低，将导致派纳力（位错运动的晶格阻力）的上升，使位错更不易于克服派纳阻力而开动。而fcc金属不出现冷脆是因为其派纳力很低。二、冷脆转变温度TK：（其评定法）1、能量准则：V15TT：对夏氏V型缺口试样：在αK=15英尺.磅＝20.3J(N.M)或2kgf.M时的温度为TK记为：V15TT或：αK=0.4αKMAX时的温度为TK2、低、高阶能准则：以低、高阶能所对应的温度定义为TK，分别记为：NDT和FTP；以低、高阶能的平均值所对应的温度定义为TK，记为：FTE；3、断口形貌准则：对夏氏V型缺口试样，以纤维区与结晶区（或放射区）的相对面积各为50%时所对应的温度定义为TK，记为：50%FATT或FATT50注：50%FATT与KIC开始大幅上升所对应的温度T℃有较好的对应关系；4、落锤试验法：所得到的TK记为：NDT，成为低强钢构件设计标准之一。Note：1、TK(NDT、50%FATT等)也是金属材料的韧性指标之一，并且也是设计的安全