第4章缺口、低温和应变

第4章缺口、低温和应变速率对材料性能的影响

4.1、缺口效应

由弹性力学可知，物体受载变形后，必须仍保持其整体性和连续性，即变形的协调性。为了保持物体的整体性和连续性，各应变分量之间，必须要有一定的关系，即变形应满足一定的变形协调条件。4.1.1应力集中由于缺口的存在，破坏了位于缺口两侧面相对应原子对的键合，使这些原子对不能承担外力。由于缺口部分不能承受外力，这一部分外力要由缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了。

用应力集中系数:为缺口根部缺口根部的最大应力,σn为净截面上的名义应力。在弹性范围内,Kt的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。对于椭圆形的平板SLmax=Sn(1+2a/b)4.1.2双向或三向应力状态

总的来说，缺口对材料的力学性能影响可归结为四个方面：

(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。4.1.4缺口对材料性能的影响3.2材料在静载下的缺口强度试验缺口的存在，引起缺口处的应力集中，应变集中，造成三向应力状态和增大缺口处的应变速率。1、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，2、切口敏感性切口敏感度定义为切口强度对抗拉强度的比值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。3.2材料在静载下的缺口强度试验不同的材料对缺口敏感的程度不同，为了比较各种材料对缺口敏感的程度，常进行缺口静拉伸试验。图中(a)、(b)分别表示用于缺口静拉伸试验的圆形截面试样和矩形截面试样。(c)表示代表缺口形状的3个主要参数：δ为缺口深度，ω为缺口角，ρ为缺口曲率半径。3.2材料在静载下的缺口强度试验(1)材料在制成缺口试样进行拉伸时，缺口根部只有弹性变形而失去了塑性变形能力，这时缺口截面上的应力分布如图2-8中的曲线1所示。断口形貌如图2-9(a)所示。3.2材料在静载下的缺口强度试验材料在进行缺口拉伸试验时，可出现3种情况(2)在缺口根部可发生少量塑性变形，这时最大轴向应力SLmax已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处，如图2-8中的曲线2、3所示。断口形貌如图2-9(b)所示。3.2材料在静载下的缺口强度试验

(3)如果材料的断裂抗力远远高于屈服强度，则随着载荷的增加,塑性区可以不断向试样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力SLmax也相应地不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此时SLmax出现在试样中心位置，如右图中曲线6所示。断口形貌如图2-9(c)所示。3.2材料在静载下的缺口强度试验对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，是谓“缺口强化”。3.2材料在静载下的缺口强度试验缺口试样的强度不会超过光滑试样强度的三倍。另一方面，对于脆性材料，由于缺口造成的应力集中，不会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试样的强度只会低于光滑试样。

如果只作无偏斜的缺口拉伸试验，而以NSR来度量缺口敏感度的话，往往显示不出组织与合金元素的影响，因为只要很小的缺口塑性就能保证NSR>1。3.2材料在静载下的缺口强度试验试验表明，缺口塑性

只要大于1%-2%试样就可被认为是对缺口不敏感的。但是，这样的试验不能保证带尖锐缺口的零件，如高强度螺栓在实际使用中的安全可靠性。缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。进行缺口偏斜拉伸试验的装置图2-11所示。1是带有缺口的试样，2是试样的螺纹夹头，3是具有一定偏斜角的垫圈，只要改变垫圈了的角度即可改变试样的偏斜角度。最常用偏斜角度为＝4°或8°，相应的缺口拉伸强度以φN4或φN8表示.3.2材料在静载下的缺口强度试验

缺口试样的静弯曲试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。3.2材料在静载下的缺口强度试验

在达到最大载荷Pmax时试样即出现裂纹，如果裂纹是缓慢扩展至断裂，则静弯曲线沿图中虚线变化，如果裂纹到截荷P点时开始迅速扩展，则引起载荷急剧降低，随后相继有一些小的台阶出现，直至试样完全破断。这一部分功以面积Ⅲ表示，一般叫作撕裂功。在这3部分功中以撕裂功最为重要，通常以撕裂功的大小或者以Pmax/P的大小来表示裂纹敏感度。3.3切口强度的估算3.3.1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，如图所示。

(1)脆性材料----脆性材料遵循正应力断裂准则。Ktσni=σf

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。3.3切口强度的估算(2)塑性材料塑性材料遵循正应变断裂准则。当局部应变达到材料的断裂韧性值σf时，切口根部材料元发生断裂而形成裂纹：Ktσni=（Eσfεf）1/2

公式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。公式的力学意义是：当切口根部的弹性应力Ktσn达到理论断裂强度时，则裂纹在切口根部形成。3.3切口强度的估算在平面应变状态下，由于切口根部应力状态的变化，材料的断裂强度和断裂韧性也发生变化，切口根部裂纹形成准则为Ktσni=0.64（Eσfεf）1/2

比较公式，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％。3.3切口强度的估算3.4切口冲击韧性

缺口冲击韧性试验是综合运用了缺口、低温及高应变速率这三个因素对材料脆化的影响，使材料能由原处于韧性状态变为脆性状态，这样可用来显示和比较材料因成分和组织的改变所产生的脆断倾向。在影响材料脆化的这三个因素中，缺口所造成的脆化是最主要的。冲击载荷的特点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。

3.4切口冲击韧性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。3.4切口冲击韧性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。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。

3.4切口冲击韧性将具有一定重量G的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定的势能GH1，然后将摆锤释放，在摆锤下落至最低位置处将试样冲断，摆锤在冲断试样时所做的功，称为冲击功，以Ak表示，摆锤的剩余能量为GH2，故有

Ak=G(H1—H2)

Ak的单位为N·M(J)，摆锤冲击试样时的速度为每秒5米，应变速率约为103S-1。3.4切口冲击韧性缺口试样的形状有梅氏和夏氏两种：3.4切口冲击韧性切口试件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。

3.4切口冲击韧性切口冲击韧性应用及意义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；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。3.4切口冲击韧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。3.5温度对材料的力学性能影响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。3.5温度对材料的力学性能影响由图可见，随着温度的下降屈服强度上升剧烈，特别是在200K以下屈服强度大幅度的升高，但是，形变硬化速率却对温度不太敏感，因此随着温度下降其抗拉强度与屈服强度的差别可以基本保持不变。而延伸率则越来越低，这和低温时滑移变形越来越困难，孪晶变形渐趋重要有关，反映在应力应变曲线上则表现为锯齿形.温度对体心立方金属，面心立方金属和密排六方金属的力学性能影响是各不相同的。当纯铁或低碳钢在屈服强度上升到和其解理断裂抗力相等的温度时，材料就发生脆断，因为材料刚开始屈服，就立即伴随着解理断裂。材料因温度的降低导致脆性破坏的现象，谓之冷脆。体心立方金属特别是钢铁材料的低温脆性，是生产中极为关注的问题。3.5温度对材料的力学性能影响纯铁或低碳钢的解理断裂抗力却随温度下降上升缓慢或者改变不大。为什么体心立方金属的屈服强度随温度的降低会急剧增高呢？现在人们对体心立方金属的低温脆性倾向于两种解释：3.5温度对材料的力学性能影响一种是体心立方金属的派-纳力对温度很敏感，随着温度降至室温以下，派-纳力急剧升高，因而导致屈服强度急剧升高；另一种可能则是在低温下螺位错的交滑移很困难。和体心立方金属纯铁相比，可以说正好相反，随着温度降低，纯铜的屈服强度基本保持不变，但加工硬化速率却迅速上升，相应地也伴随着抗拉强度讯速上升。由于面心立方金属的屈服强度随温度降低升高不多，因此屈服强度和解理断裂强度两者即使在极低温度下也难以相交，故面心立方金属没有冷脆现象。3.5温度对材料的力学性能影响随着温度降低钛的屈服强度升高，形变硬化速率也升高，这是密排六方金属的典型情况，它既不同于体心立方金属，也不同于面心立方金属，因为体心立方金属在温度降低时屈服强度升高，但形变硬化率不变，而面心立方金属却表现出屈服强度不变但形变硬化率升高的现象。钛和纯铜一样，温度降低时均匀伸长率也是增加的。3.5温度对材料的力学性能影响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：3.5温度对材料的力学