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文档简介

1、 第二次世界大战期间,美国在很短时间内赶造了4000艘船,其中250艘在19401951年间断裂,另1200艘发现裂缝。1952年“Fort Macar”油轮断裂,2年后,英国20000t油轮“World Conrad”也遭同样厄运。裂纹大多起始于结构上处理不当的接头,再加上焊接缺陷,进一步深入分析,诸多问题均与“钢材的脆性断裂”有关,由此“抗冲击韧性”便成了评定钢材材质的一项基本指标。u6.1 6.1 前言前言 u1、广义的“切口”u 切口的存在造成:应力应变集中和多向性。u 二战事故分析的结论:u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);u韧

2、性钢板,其AKV值在10时高于15ft.lbf。 u6.1 6.1 前言前言 u (1)产生应力集中; (2)引起三向应力状态,使材料脆化; (3)由应力集中带来应变集中; (4)使缺口附近的应变速率增高。应力集中的概念应力集中的概念 等直杆轴向拉伸或压缩时,横截面上的正应力是均匀分布的。但由于实际需要,有些零件经常有切口、切槽、油孔、螺纹、带有过渡圆角的轴肩等,导致在这些部位上截面尺寸发生突然变化。实验证明,在这些尺寸突然改变的横截面上,应力并不均匀分布。如开有圆孔的拉杆,当其在静荷载作用下,受轴向拉伸时,在圆孔附近的局部区域内,应力的数值急剧增加,而在较远处又逐渐趋于平均。 这种因杆件截面

3、形状突然变化而产生的应力局部增大现象,称为应力集中。 开有圆孔的板条开有圆孔的板条带有切口的板条带有切口的板条maxmax因杆件外形突然变化而引起局部应力急剧增大的现象,因杆件外形突然变化而引起局部应力急剧增大的现象,称为称为应力集中应力集中6.2 6.2 局部应力与局部应变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,即名义应力名义应力n。 应力集中系数应力集中系数 Kt 的定义: Kt=max/n。 NbNAPmax2、切口强

4、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bN,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=bNb 若NSR1.0,表示材料对切口不敏感,或者说材料是切口韧性的; 若NSR1.0,则材料对切口敏感,材料是切口脆性的60。图6-1 受拉伸的中心圆孔扳 在静荷载作用下,应力集中对于塑性材料的强度没有什么影响。这是因为当应力集中处最大应力max到达屈服极限时,材料将发生塑性变形,应力不再增加。当外力继续增加时,处在弹性变形的其他部分的应力继续增大,直至整个截面上的应力都达到屈服极限时,杆件才达到极限状态。由于材料的塑性具有缓和应力集中的作用,应

5、力集中对塑性材料的强度影响就很小。而脆性材料由于没有屈服阶段,应力集中处的最大应力max随荷载的增加而一直上升。当max达到b时,杆件就会在应力集中处产生裂纹,随后在该处裂开而破坏。 6.3 切口强度的实验测定切口强度的实验测定切口强度通常用切口圆柱试件圆柱试件(见图6-5(a)或双切口平板试件双切口平板试件(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。 切口断面收缩率切口断面收缩率,称为切口塑性切口塑性(Notch Ductility)。图6-5 切

6、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)图6-7 零件中的切口根部塑性区(1)和材料元(2)6.4 6.4 切口强度的估算切口强度的估算6.4.1 6.4.1 切口根部裂纹形成准则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裂纹,形成于切口根裂纹的亚临亚临界扩展界扩展,当裂纹达到临界尺寸时发生断裂断裂。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。Ktni=f (6-13) 式中ni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)

7、 塑性材料 塑性材料遵循正应变断裂准则。Ktni=(Eff)1/2 (6-14) 公式(6-14)是塑性材料的切口根部裂纹起始准则 。(Eff)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Ktn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Ktni=0.64(Eff)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。 切口敏感度系数切口敏感度系数:btffbnKENSR/切口强度比:切口敏感度系数:xKy21当 Kt

8、1.0;当KtKbN,NSRf,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,sf,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韧脆- -转化温度转化温度。 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

9、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 F T T ( F r a c t u r e Tr a n s i t i o n 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

10、口形貌法断口形貌法 断口上有纤维区、放射区纤维区、放射区( (结晶区结晶区) )和剪切唇和剪切唇 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50FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)。 在低温下服役的零件,其最低工作温度应高于高于韧-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

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