第4章缺口、低溫和應(yīng)變

第4章缺口、低溫和應(yīng)變速率對(duì)材料性能的影響

4.1、缺口效應(yīng)

由彈性力學(xué)可知，物體受載變形后，必須仍保持其整體性和連續(xù)性，即變形的協(xié)調(diào)性。為了保持物體的整體性和連續(xù)性，各應(yīng)變分量之間，必須要有一定的關(guān)系，即變形應(yīng)滿足一定的變形協(xié)調(diào)條件。4.1.1應(yīng)力集中由于缺口的存在，破壞了位于缺口兩側(cè)面相對(duì)應(yīng)原子對(duì)的鍵合，使這些原子對(duì)不能承擔(dān)外力。由于缺口部分不能承受外力，這一部分外力要由缺口前方的部分材料來承擔(dān)，因而缺口根部的應(yīng)力最大，離開缺口根部，應(yīng)力逐漸減小，一直減小到某一恒定數(shù)值，這時(shí)缺口的影響便消失了。

用應(yīng)力集中系數(shù):為缺口根部缺口根部的最大應(yīng)力,σn為凈截面上的名義應(yīng)力。在彈性范圍內(nèi),Kt的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀與尺寸。對(duì)于橢圓形的平板SLmax=Sn(1+2a/b)4.1.2雙向或三向應(yīng)力狀態(tài)

總的來說，缺口對(duì)材料的力學(xué)性能影響可歸結(jié)為四個(gè)方面：

(1)產(chǎn)生應(yīng)力集中；

(2)引起三向應(yīng)力狀態(tài)，使材料脆化；

(3)由應(yīng)力集中帶來應(yīng)變集中；

(4)使缺口附近的應(yīng)變速率增高。4.1.4缺口對(duì)材料性能的影響3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)缺口的存在，引起缺口處的應(yīng)力集中，應(yīng)變集中，造成三向應(yīng)力狀態(tài)和增大缺口處的應(yīng)變速率。1、切口強(qiáng)度：用帶切口的拉伸試件測定其斷裂時(shí)的名義應(yīng)力(凈斷面平均應(yīng)力)，記為σbN，2、切口敏感性切口敏感度定義為切口強(qiáng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度的比值NSR：NSR=σbN／σb若NSR＞1.0，表示材料對(duì)切口不敏感，或者說材料是切口韌性的；若NSR＜1.0，則材料對(duì)切口敏感，材料是切口脆性的。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)不同的材料對(duì)缺口敏感的程度不同，為了比較各種材料對(duì)缺口敏感的程度，常進(jìn)行缺口靜拉伸試驗(yàn)。圖中(a)、(b)分別表示用于缺口靜拉伸試驗(yàn)的圓形截面試樣和矩形截面試樣。(c)表示代表缺口形狀的3個(gè)主要參數(shù)：δ為缺口深度，ω為缺口角，ρ為缺口曲率半徑。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)(1)材料在制成缺口試樣進(jìn)行拉伸時(shí)，缺口根部只有彈性變形而失去了塑性變形能力，這時(shí)缺口截面上的應(yīng)力分布如圖2-8中的曲線1所示。斷口形貌如圖2-9(a)所示。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)材料在進(jìn)行缺口拉伸試驗(yàn)時(shí)，可出現(xiàn)3種情況(2)在缺口根部可發(fā)生少量塑性變形，這時(shí)最大軸向應(yīng)力SLmax已不在缺口頂端的表面處，而是位于塑性變形區(qū)和彈性區(qū)的交界處，如圖2-8中的曲線2、3所示。斷口形貌如圖2-9(b)所示。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)

(3)如果材料的斷裂抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度，則隨著載荷的增加,塑性區(qū)可以不斷向試樣中心擴(kuò)展，位于彈塑性交界處的最大軸向應(yīng)力SLmax也相應(yīng)地不斷向中心移動(dòng)，如塑性變形能擴(kuò)展到試樣中心，即出現(xiàn)沿缺口截面的全面屈服。此時(shí)SLmax出現(xiàn)在試樣中心位置，如右圖中曲線6所示。斷口形貌如圖2-9(c)所示。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)塑性好的材料，缺口使材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度升高，但塑性降低，是謂“缺口強(qiáng)化”。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)缺口試樣的強(qiáng)度不會(huì)超過光滑試樣強(qiáng)度的三倍。另一方面，對(duì)于脆性材料，由于缺口造成的應(yīng)力集中，不會(huì)因塑性變形而使應(yīng)力重新分布，因此缺口試樣的強(qiáng)度只會(huì)低于光滑試樣。

如果只作無偏斜的缺口拉伸試驗(yàn)，而以NSR來度量缺口敏感度的話，往往顯示不出組織與合金元素的影響，因?yàn)橹灰苄〉娜笨谒苄跃湍鼙ＷCNSR>1。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)表明，缺口塑性

只要大于1%-2%試樣就可被認(rèn)為是對(duì)缺口不敏感的。但是，這樣的試驗(yàn)不能保證帶尖銳缺口的零件，如高強(qiáng)度螺栓在實(shí)際使用中的安全可靠性。缺口偏斜拉伸試驗(yàn)就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)條件下，來檢驗(yàn)與對(duì)比不同材料或不同工藝所表現(xiàn)出的性能差異。進(jìn)行缺口偏斜拉伸試驗(yàn)的裝置圖2-11所示。1是帶有缺口的試樣，2是試樣的螺紋夾頭，3是具有一定偏斜角的墊圈，只要改變墊圈了的角度即可改變?cè)嚇拥钠苯嵌取Ｗ畛Ｓ闷苯嵌葹椋?°或8°，相應(yīng)的缺口拉伸強(qiáng)度以φN4或φN8表示.3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)

缺口試樣的靜彎曲試驗(yàn)則用來評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。3.2材料在靜載下的缺口強(qiáng)度試驗(yàn)

在達(dá)到最大載荷Pmax時(shí)試樣即出現(xiàn)裂紋，如果裂紋是緩慢擴(kuò)展至斷裂，則靜彎曲線沿圖中虛線變化，如果裂紋到截荷P點(diǎn)時(shí)開始迅速擴(kuò)展，則引起載荷急劇降低，隨后相繼有一些小的臺(tái)階出現(xiàn)，直至試樣完全破斷。這一部分功以面積Ⅲ表示，一般叫作撕裂功。在這3部分功中以撕裂功最為重要，通常以撕裂功的大小或者以Pmax/P的大小來表示裂紋敏感度。3.3切口強(qiáng)度的估算3.3.1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，形成于切口根裂紋的亞臨界擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)發(fā)生斷裂。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，如圖所示。

(1)脆性材料----脆性材料遵循正應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則。Ktσni=σf

式中σni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。3.3切口強(qiáng)度的估算(2)塑性材料塑性材料遵循正應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則。當(dāng)局部應(yīng)變達(dá)到材料的斷裂韌性值σf時(shí)，切口根部材料元發(fā)生斷裂而形成裂紋：Ktσni=（Eσfεf）1/2

公式是塑性材料的切口根部裂紋起始準(zhǔn)則。(Eσfεf）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。公式的力學(xué)意義是：當(dāng)切口根部的彈性應(yīng)力Ktσn達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度時(shí)，則裂紋在切口根部形成。3.3切口強(qiáng)度的估算在平面應(yīng)變狀態(tài)下，由于切口根部應(yīng)力狀態(tài)的變化，材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性也發(fā)生變化，切口根部裂紋形成準(zhǔn)則為Ktσni=0.64（Eσfεf）1/2

比較公式，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)力狀態(tài)下的64％。3.3切口強(qiáng)度的估算3.4切口沖擊韌性

缺口沖擊韌性試驗(yàn)是綜合運(yùn)用了缺口、低溫及高應(yīng)變速率這三個(gè)因素對(duì)材料脆化的影響，使材料能由原處于韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這樣可用來顯示和比較材料因成分和組織的改變所產(chǎn)生的脆斷傾向。在影響材料脆化的這三個(gè)因素中，缺口所造成的脆化是最主要的。沖擊載荷的特點(diǎn)沖擊載荷與靜載荷的主要在于加載速率不同；加載速率佷高，而后者加載速率低。加載速率用應(yīng)力增長率σ=dσ/dt表示，單位為MPa／s。變形速率有兩種表示方法：即絕對(duì)變形速率和相對(duì)變形速率。絕對(duì)變形速率為單位時(shí)間內(nèi)試件長度的增長率V=dl/dt，單位為m／s。相對(duì)變形速率即應(yīng)變速率，ε=dε/dt，單位為s-1。

3.4切口沖擊韌性彈性變形以介質(zhì)中的聲速傳播。而普通機(jī)械沖擊時(shí)的絕對(duì)變形速率在103m／s以下。在彈性變形速率高于加載變形速率時(shí)，則加載速率對(duì)金屬的彈性性能沒有影響。塑性變形發(fā)展緩慢，若加載速率較大，則塑性變形不能充分進(jìn)行。靜載:受的應(yīng)力取決于載荷和零件的最小斷面積。沖擊載荷具有能量特性，與零件的斷面積、形狀和體積有關(guān)。3.4切口沖擊韌性不含切口零件的沖擊：沖擊能為零件的整個(gè)體積均勻地吸收，從而應(yīng)力和應(yīng)變也是均勻分布的；

零件體積愈大，單位體積吸收的能量愈小，零件所受的應(yīng)力和應(yīng)變也愈小。含切口零件的沖擊：切口根部單位體積將吸收更多的能量，使局部應(yīng)變和應(yīng)變速率大為升高。

另一個(gè)特點(diǎn)是：承載系統(tǒng)中各零件的剛度都會(huì)影響到?jīng)_擊過程的持續(xù)時(shí)間、沖擊瞬間的速度和沖擊力大小。這些量均難以精確測定和計(jì)算。因此，在力學(xué)性能試驗(yàn)中，直接用能量定性地表示材料的力學(xué)性能特征；沖擊韌性即屬于這一類的力學(xué)性能。

3.4切口沖擊韌性將具有一定重量G的擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定的勢能GH1，然后將擺錘釋放，在擺錘下落至最低位置處將試樣沖斷，擺錘在沖斷試樣時(shí)所做的功，稱為沖擊功，以Ak表示，擺錘的剩余能量為GH2，故有

Ak=G(H1—H2)

Ak的單位為N·M(J)，擺錘沖擊試樣時(shí)的速度為每秒5米，應(yīng)變速率約為103S-1。3.4切口沖擊韌性缺口試樣的形狀有梅氏和夏氏兩種：3.4切口沖擊韌性切口試件的斷裂可能經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋在切口根部形成，裂紋的亞臨界擴(kuò)展和最終斷裂。切口試件的沖擊斷裂可能要吸收三部分能量：

裂紋形成能、亞臨界擴(kuò)展能、斷裂能。

3.4切口沖擊韌性切口沖擊韌性應(yīng)用及意義①評(píng)定原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的半成品質(zhì)量，通過測定沖擊韌性和斷口分析，可揭示原材料中夾渣、氣泡、偏析、嚴(yán)重分層等冶金缺陷和過熱、過燒、回火脆性等鍛造以及熱處理缺陷等；②確定結(jié)構(gòu)鋼的冷脆傾向及韌脆轉(zhuǎn)變溫度；③沖擊韌性反映著材料對(duì)一次和少數(shù)次大能量沖擊斷裂的抗力，因而對(duì)某些在特殊條件下服役的零件，如彈殼、防彈甲板等，具有參考價(jià)值：④評(píng)定低合金高強(qiáng)鋼及其焊縫金屬的應(yīng)變時(shí)效敏感性。3.4切口沖擊韌性低溫脆性從現(xiàn)象上看，是屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨溫度降低而變化的速率問題。倘若屈服強(qiáng)度隨溫度的下降而升高較快，而斷裂強(qiáng)度升高較慢，則在某一溫度Tc以下，σs>σf，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，σs<σf，金屬在斷裂前發(fā)生塑性變形，故表現(xiàn)為塑性的。3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響金屬材料的強(qiáng)度一般均隨溫度的降低而升高，而塑性則相反。一些具有體心立方晶格的金屬，如Fe、Mo和W，當(dāng)溫度降低到某一溫度時(shí)，由于塑性降低到零而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這種現(xiàn)象稱為低溫脆性。3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響由圖可見，隨著溫度的下降屈服強(qiáng)度上升劇烈，特別是在200K以下屈服強(qiáng)度大幅度的升高，但是，形變硬化速率卻對(duì)溫度不太敏感，因此隨著溫度下降其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的差別可以基本保持不變。而延伸率則越來越低，這和低溫時(shí)滑移變形越來越困難，孿晶變形漸趨重要有關(guān)，反映在應(yīng)力應(yīng)變曲線上則表現(xiàn)為鋸齒形.溫度對(duì)體心立方金屬，面心立方金屬和密排六方金屬的力學(xué)性能影響是各不相同的。當(dāng)純鐵或低碳鋼在屈服強(qiáng)度上升到和其解理斷裂抗力相等的溫度時(shí)，材料就發(fā)生脆斷，因?yàn)椴牧蟿傞_始屈服，就立即伴隨著解理斷裂。材料因溫度的降低導(dǎo)致脆性破壞的現(xiàn)象，謂之冷脆。體心立方金屬特別是鋼鐵材料的低溫脆性，是生產(chǎn)中極為關(guān)注的問題。3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響純鐵或低碳鋼的解理斷裂抗力卻隨溫度下降上升緩慢或者改變不大。為什么體心立方金屬的屈服強(qiáng)度隨溫度的降低會(huì)急劇增高呢？現(xiàn)在人們對(duì)體心立方金屬的低溫脆性傾向于兩種解釋：3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響一種是體心立方金屬的派-納力對(duì)溫度很敏感，隨著溫度降至室溫以下，派-納力急劇升高，因而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度急劇升高；另一種可能則是在低溫下螺位錯(cuò)的交滑移很困難。和體心立方金屬純鐵相比，可以說正好相反，隨著溫度降低，純銅的屈服強(qiáng)度基本保持不變，但加工硬化速率卻迅速上升，相應(yīng)地也伴隨著抗拉強(qiáng)度訊速上升。由于面心立方金屬的屈服強(qiáng)度隨溫度降低升高不多，因此屈服強(qiáng)度和解理斷裂強(qiáng)度兩者即使在極低溫度下也難以相交，故面心立方金屬?zèng)]有冷脆現(xiàn)象。3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響隨著溫度降低鈦的屈服強(qiáng)度升高，形變硬化速率也升高，這是密排六方金屬的典型情況，它既不同于體心立方金屬，也不同于面心立方金屬，因?yàn)轶w心立方金屬在溫度降低時(shí)屈服強(qiáng)度升高，但形變硬化率不變，而面心立方金屬卻表現(xiàn)出屈服強(qiáng)度不變但形變硬化率升高的現(xiàn)象。鈦和純銅一樣，溫度降低時(shí)均勻伸長率也是增加的。3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響研究低溫脆性的主要問題是確定韌脆-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：3.5溫度對(duì)材料的力學(xué)