第六章切口強(qiáng)度與切口沖擊韌性

1、第六章 切口強(qiáng)度與切口沖擊韌性 u6.1 6.1 前言前言 u1、廣義的“切口”u切口的存在造成：應(yīng)力應(yīng)變集中和多向性。u 二戰(zhàn)事故分析的結(jié)論：u脆斷鋼板，其夏比V型切口試件沖擊值A(chǔ)KV在10時(shí)低于15ft.lbf(20.34N.m)；u韌性鋼板，其AKV值在10時(shí)高于15ft.lbf。 NbNAPmax2、切口強(qiáng)度：用帶切口的拉伸試件測(cè)定其斷裂時(shí)的名義應(yīng)力(凈斷面平均應(yīng)力)， 記為bN，3、切口敏感性切口強(qiáng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度的比值定義為切口強(qiáng)度比NSR： NSR=bNb 若NSR1.0，表示材料對(duì)切口不敏感，或者說材料是切口韌性的； 若NSR1.0，則材料對(duì)切口敏感，材料是切口脆性的60。6.2

2、6.2 局部應(yīng)力與局部應(yīng)變局部應(yīng)力與局部應(yīng)變一受拉伸裁荷的薄板，其中的應(yīng)力分布是均 勻的。若在板的中心鉆一圓孔，則在孔的周圍應(yīng)力分布發(fā)生了很大的變化如圖6-1所示； 在孔的邊緣，拉應(yīng)力最大，離孔邊越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小。最后趨近于凈斷面平均應(yīng)力，即名義應(yīng)力名義應(yīng)力n。 應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù) Kt 的定義： Kt=max/n。 圖6-1 受拉伸的中心圓孔扳 6.3 切口強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定切口強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定切口強(qiáng)度通常用切口圓柱試件圓柱試件(見圖6-5(a)或雙切口雙切口平板試件平板試件(見圖6-5(b)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)予以測(cè)定。 切口幾何切口幾何的三個(gè)主要參數(shù)為： 切口深度t、切口根部的曲率半徑、切口張角

3、 切口強(qiáng)度：切口強(qiáng)度：切口試件拉伸斷裂最大載荷，除以切口處的凈斷面積。 切口斷面收縮率切口斷面收縮率，稱為切口塑性切口塑性(Notch Ductility)。圖6-5 切口試件與切口幾何 圖6-7 零件中的切口根部塑性區(qū)（1）和材料元（2）6.5 6.5 切口強(qiáng)度的估算切口強(qiáng)度的估算6.5.1 6.5.1 切口根部裂紋形成準(zhǔn)則切口根部裂紋形成準(zhǔn)則 切口零構(gòu)件或試件的斷裂可能包含三個(gè)階段：在切口根部形成裂紋形成裂紋，形成于切口根裂紋的亞臨界擴(kuò)展亞臨界擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)發(fā)生斷裂斷裂。裂紋在切口根部形成，可以假定是由切口根部材料元的斷裂引起的，如圖6-7所示。(1) 脆性材料-脆性材料遵循正

4、應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則。Ktni=f (6-13) 式中ni為裂紋形成時(shí)切口試件所受的名義應(yīng)力，或稱切口根部裂紋形成應(yīng)力。(2) 塑性材料 塑性材料遵循正應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則。Ktni=（Eff）1/2 (6-14) 公式(6-14）是塑性材料的切口根部裂紋起始準(zhǔn)則 。(Eff）1/2可以認(rèn)為是工業(yè)金屬結(jié)構(gòu)材料理論強(qiáng)度值的一種量度。公式(6-14)的力學(xué)意義是：當(dāng)切口根部虛擬的彈性應(yīng)力Ktn達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度時(shí)，則裂紋在切口根部形成。在平面應(yīng)變狀態(tài)下，切口根部裂紋形成準(zhǔn)則為Ktni=0.64（Eff）1/2 (6-15) 比較公式(6-14)和(6-15)，可以看出，平面應(yīng)變狀態(tài)下切口根部裂紋形成應(yīng)力，僅為平面應(yīng)

5、力狀態(tài)下的64。 切口敏感度系數(shù)切口敏感度系數(shù)：btffbnKENSR/切口強(qiáng)度比：切口敏感度系數(shù)：bfftbNEKNSRK/當(dāng) Kt1.0；當(dāng)KtKbN，NSRf，金屬在沒有塑性變形的情況下發(fā)生斷裂，即表現(xiàn)為脆性的； 而在Tc以上，sf，金屬在斷裂前發(fā)生塑性變形，故表現(xiàn)為塑性的。圖6-11 金屬的強(qiáng)度和塑性隨溫度的變化12研究低溫脆性的主要問題是確定韌脆韌脆- -轉(zhuǎn)化溫度轉(zhuǎn)化溫度。 實(shí)驗(yàn)方法介紹：將試件冷卻到不同的溫度測(cè)定沖擊功AK，得到斷口形貌特征與溫度的關(guān)系曲線。然后按一定的方法確定韌脆轉(zhuǎn)化溫度。 能量法能量法：有下列幾種：(1)以V型切口沖擊試件測(cè)定的沖擊功AK=15 ft 1bf(2

6、0.3N M)對(duì)應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)化溫度，并記為V15TT。 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而提出的方法.(2)圖6-12中的曲線有兩個(gè)平臺(tái)。上平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的能量稱為高階能，下平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的能量稱為低階能。將低階能開始上升的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為NDT稱為零塑性溫度零塑性溫度。在NDT以下，試件的斷口為100的結(jié)晶狀斷。圖6-12 各種確定韌脆轉(zhuǎn)化溫度的方法及所確定的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度(4)高階能與低階能的平均值所對(duì)應(yīng)的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為FTT(Fracture Transition Temperature)(3)將高階能開始降低的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。記為FTP ( Fracture Tran

7、sition Plastic)當(dāng)溫度高于FTP，試件的斷口為100的纖維狀斷口。斷口形貌法斷口形貌法 斷口上有纖維區(qū)、放射區(qū)纖維區(qū)、放射區(qū)( (結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)) )和剪切唇和剪切唇。 在不同的溫度下,上述三個(gè)區(qū)的相對(duì)面積是不同的； 結(jié)晶區(qū)的面積隨溫度的變化，結(jié)晶區(qū)面積百分比的增大,表示材料變脆。通常取結(jié)晶狀斷口面積占50時(shí)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)化溫度，記為50FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)。 在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應(yīng)高于高于韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。這是韌性的溫度儲(chǔ)備。韌性溫度儲(chǔ)備的大小取決于機(jī)件的重要程度。圖6-13 沖擊斷口形貌示意圖影響因素：鋼的成分、組織和冶金質(zhì)量。a.降低鋼中的碳、磷含量；細(xì)化晶粒，熱處理成低碳馬氏體和回火素氏體，可提高高階能；b.增加鋼中碳、磷、氧含量，Si、