第7章缺口试样的断裂及其抗力

1金属力学性能第7章缺口试样的断裂及其抗力2本章内容7.1缺口顶端的应力应变特征7.2缺口试样在静拉伸时的断裂7.3缺口试样在冲击载荷下的断裂7.4低温脆性及其评定方法37.1缺口顶端的应力应变特征•缺口参数：hN:缺口内宽度h0：缺口外宽度ρ:顶端曲率半径ω：张角γ：深度hNh0ωργ4缺口处应力分布•应力集中：缺口处材料承载面积减小，缺口处材料承受应力高于整体材料；•这种缺口处突变，应力承载面突然减少，造成缺口处应力集中•应力集中系数mtkmax5•缺口处三向应力方向的拉应力产生材料要保持连续性必须之间有分离趋势，上述应变差使所以＝＝三块材料，x,,oa,,oaoayxbcabEbcaboaybcyabyybcyabyy6•σx的分布1.在缺口表面，没有材料约束，因此σx＝02.远离缺口表面区域，材料内的应力分布均匀，不产生x向应力，此时σx＝03.在它们之间，σx先增大后减小，有一个峰值7•σx和σy存在情况下，σz的分布1.如果z向尺寸很小，z向的金属可以自由变形，σz＝0，此时仅有x和y两个方向的应力，为平面应力状态82.如果z向尺寸很大，z向中心部位材料在z向的变形受到约束很大，此时z向的应变等于零，即εz＝0，此时仅在x和y两个方向产生应变，成为平面应变状态。按照虎克定律，εz＝[σz-μ(σy+σx)]=0所以σz=μ(σy+σx)9•薄板（z向尺寸小）情况下的应力分布和应变分布σyσxσz=0σ1σ2σ3按照第3强度理论，这是满足屈服的条件对薄板情况，syszyszysss21)(2121)(213131平面应力状态塑性区的应力分布σyσsr10•厚板情况下的应力分布和应变分布σyσzσxσ1σ2σ3屈服的条件这是满足屈服的条件sxysxysxy21)(21平面应变状态塑性区应力分布rσsσyσzσx11•平面应力/应变条件下屈服条件的讨论：1.平面应力条件下，应力达到σs就会屈服2.平面应变条件下，应力达到σx＋σz才会屈服，把此应力称为“有效屈服强度”。此时材料屈服强度提高。如果此有效屈服强度大于材料的断裂强度，材料不会发生塑性变形就产生断裂，材料变脆。123.缺口是导致材料变脆的因素之一（其余因素还有：低温；粗大晶粒；高应变速率）4.塑性变形可削平缺口尖端应力，降低材料脆性断裂倾向5.脆性材料由于裂纹尖端难以产生塑性变形，容易产生早期断裂。因此脆性材料对缺口更加敏感。13•全面屈服时缺口构件截面上的应力分布•应力最高点位于缺口中心，如同低碳钢颈缩后的应力分布147.2缺口试样在静拉伸时的断裂为光滑试样抗拉强度其中＝缺口敏感度为缺口面积荷，为缺口试样断裂时的载其中＝缺口试样的抗拉强度bbbNcNNNNqFPFPbN15圆柱缺口试样断裂过程•脆性材料（a）：最大应力位于缺口面上，裂纹在缺口一侧产生；产生应力集中，裂纹快速通过缺口向另一侧扩展；•中等塑性材料（b）：最大应力位于缺口面内一定范围内，且此位置与缺口面之间的材料发生了塑性变形；裂纹在该最大应力处产生，向外侧缺口面处扩展（以微孔聚集型方式向外侧扩展）；同时向内扩展（快速扩展）；最终中心形成最后断裂区。此时缺口强度可能高于光滑试样抗拉强度，也可能低于光滑试样（取决于材料的塑性大小）脆性材料中等塑性塑性材料纤维区16•良好塑性材料（c）：材料从缺口面开始向内，发生完全屈服，应力最大点位于缺口中心；此时与光滑试样颈缩后的样品类似，裂纹起源于样品中心，然后以微孔生成、聚集的方式向外扩展，最终形成杯锥状断口•这种情况下缺口的存在对断裂的影响不大。因此塑性良好的材料缺口敏感性低！•由于缺口顶端的三向应力状态，引起抗拉强度增大，即σbNσb•这种由缺口引起的屈服强度增大现象称为几何强化，但它不能作为强化手段使用脆性材料中等塑性塑性材料纤维区177.3缺口试样在冲击载荷下的断裂•冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）•应变率ε=de/dt，e为真应变静拉伸试验ε=10-5～10-2s-1冲击试验ε=102～104s-1爆炸冲击ε=104～108s-1•一般情况下ε=10-4～10-2s-1，可按静载荷处理。18•冲击载荷作用下，材料变脆dε/dtAσ321654Tcσbσs19•冲击失效的特点（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。弹性变形的速度4982m/s（＞声速）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。20•影响冲击性能的微观因素（1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，材料的冲击韧性↑。（2）同时开动的位错源增加。屈服强度提高得较多。（3）内部的塑性变形不均匀。21冲击试验•试样：夏氏；梅氏•摆锤5、10、15、30kg，试样尺寸55×10×10mm，试样跨距40mm；无缺口，•有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。•铸铁（QT、白口铁），跨距70mm，110×20×20mm，无缺口。22冲击断裂过程•PGY之前，弹性变形•PGY后，塑性变形；载荷增大到Pmax，塑性变形区逐渐扩展到整个缺口面（塑性区为图中红色虚线和缺口面之间面积）；•在Pmax附近，应力最大点位于红色虚线上；因此在此处产生裂纹；随后裂纹向前和向后同时扩展；扩展机制是微孔聚集型，形成图中“脚跟形纤维状区”；此过程中材料承载面积减小，载荷逐渐下降到PF。PGYPmaxPFPD位移载荷23•载荷达到PF后，裂纹迅速以解理断裂方式快速扩展，在材料中形成“放射形结晶状区”；这时材料承载面积迅速减小，载荷也迅速降低到PD。•载荷达到PD后，裂纹扩展到样品边缘，产生平面应力状态，形成剪切唇区。PGYPmaxPFPD位移载荷24•冲击断口包含纤维区、放射区、剪切唇三个区。•若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区：即：纤维区1—放射区—纤维区2—剪切唇•纤维区2（红色区域）形成原因：裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小，最终形成纤维区2。冲击断口冲击断口形貌示意图251、表征材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。Ak＝U/F，U为冲击过程吸收的能量，F为缺口面积。Ak单位，J/cm2；或kgf/cm22、作用（1）揭示冶金缺陷的影响；（2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。（3）评定低温脆性倾向。3、物理意义断裂过程包括弹性变形、塑性变形和断裂。冲击过程吸收的能量为以上所有过程能量的总和。因此“Ak值不具有明确的物理意义”。冲击韧性及其意义26•冲击韧性的应用：经验数据，参考价值举例：调质处理的45＃钢Ak＝78J/cm2，而球墨铸铁Ak＝15J/cm2。单纯从数值上看，球墨铸铁冲击韧性值远小于45＃钢。然而它们都具有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料使用。•AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指标，具有“不可设计性”。只能作为经验数据使用。27•低温脆性现象在低温下，一些材料的脆性急剧增加。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。低温脆性实质为温度下降，屈服强度急剧增加。F.C.C金属，一般不显示低温脆性。如低碳钢为体心立方金属，有低温脆性；而奥氏体钢为面心立方金属，无低温脆性。7.4低温脆性及韧脆转变温度28•韧脆转变温度判断标准:冲击试验值断口的形貌50％纤维状断口韧脆转变温度示意图缺口试样光滑试样29•影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素1）晶体学特性晶体结构：f.c.c不存在低温脆性。b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重，如Sn位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能↑，韧性↑。形成柯氏气团，韧性↓。302）冶金因素（1）溶质元素间隙原子，使韧性下降。置换式溶质，对韧性影响不明显杂质元素S、P、As、Sn使韧性下降（2）显微组织a）晶粒大小b）金相组织回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性下降第二相（大小、形态、数量、分布）313）外部因素1、温度钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为蓝色）C、N原子扩散形成柯氏气团。2、加载速率加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度Tk↑;3、试样尺寸和形状试样增厚，Tk↑（表面上的拉压应力最大）;带缺口/不带缺口时，脆性及Tk不同。32本章要点•了解缺口顶端的应力、应变状态，缺口试样的拉伸断裂过程和缺口敏感性，缺口试样冲击载荷作用下的断裂过程、冲击韧性及其试验方法，材料的低温脆性机理及其系列冲击试验等评定方法。33本章思考题1）解释下面名词：缺口效应；应力集中系数；缺口敏感性；低温脆性；韧脆转变温度2）说明平面应力和平面应变条件下，缺口处的应力、应变分布特点。没有发生屈服发生屈服以后343）说明低温脆性的物理本质及其影响因素。温度对材料抗拉强度和屈服强度影响不同材料结构…4）举出三种提高金属材料韧性的途径晶粒细化变形温度强化355）如何理解“缺口强化”现象？根据应力分布,缺口样品屈服强度高,最终抗拉强度提高6）说明下列力学性能指标的意义：qc，Ak缺口敏感性冲击过程吸收能367）缺口对材料的拉伸性能有什么影响？分不同性质材料分别说明8）说明低温脆性的影响因素。见PPT379）现需要检测下列材料的韧脆转变温度，哪些材料需要开缺口？W18Cr4V,Cr12MoV,3Cr2W8V,40CrNiMo,30CrMnSi,铸铁查阅这些材料的塑性指标后确定10）说明退火低碳钢圆柱缺口拉伸试样拉伸时裂纹形成和扩展过程，以及断口特征退火低碳钢为良好塑性材料3811）结合缺口试样冲击过程中裂纹形成和萌生过程，说明缺口载荷~位移曲线与断口特征之间的对应关系.见PPT12）液氮罐为什么采用奥氏体钢制造，而不能采用低碳钢制造？奥氏体在液氮温度下没有低温脆性转变13)为什么冲击韧性不具有可设计性?冲击韧性物理意义复杂….