【現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)課件】12.2低溫?cái)嗔雅c疲勞

1、12.2 低溫?cái)嗔雅c疲勞,低溫致脆的最大特點(diǎn)是存在某一特定的溫度范圍，在此溫度范圍以上的斷裂是韌性斷裂，不顯示脆性斷裂的特征；低于此溫度范圍，為無韌性特征的脆性斷裂；在此特定溫度范圍內(nèi)的斷裂，則顯示韌-脆過渡形態(tài)，同時(shí)具有不同程度的韌性和脆性的斷裂特征。這種現(xiàn)象稱為冷脆。 而材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训臏囟萒K稱為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，或冷脆轉(zhuǎn)化溫度。,一、韌-脆轉(zhuǎn)化理論 1、韌-脆轉(zhuǎn)化的物理本質(zhì) 2、Stroh的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度理論 3、韌-脆轉(zhuǎn)化的Cottrell模型-Petch屈服理論解釋 二、低溫疲勞,一、韌-脆轉(zhuǎn)化理論,1、韌-脆轉(zhuǎn)化的物理本質(zhì) 金屬材料的韌-脆轉(zhuǎn)化過程 ： 圖12.14

2、F、S、SK隨T、V和 的變化,可見：解理斷裂應(yīng)力F基本上不隨溫度變化，而屈服點(diǎn)S和韌性斷裂應(yīng)力SK則隨溫度升高而急劇降低并與F曲線存在交點(diǎn)。 圖中A點(diǎn)以下為無塑性變形的解理斷裂，相當(dāng)于夏比系列沖擊試驗(yàn)的下平臺(tái)。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度TK。 B點(diǎn)以上為經(jīng)過塑性變形的纖維撕裂，相當(dāng)于夏比沖擊試驗(yàn)曲線的上平臺(tái)。 AB之間為經(jīng)過塑性變形之后的解理斷裂，為韌-脆轉(zhuǎn)化過程。 一般用位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)解釋上述現(xiàn)象。,2、Stroh的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度理論 Stroh的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度理論認(rèn)為，金屬中的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致兩種結(jié)果： 其一是激活附近的F-R源產(chǎn)生韌性斷裂； 其二是產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致脆性斷裂。 韌-脆轉(zhuǎn)變

3、就是這兩種機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。,F-R源保持不被激活，發(fā)生脆斷的幾率表達(dá)式： 或 式中：p為某溫度下，t時(shí)間內(nèi)，位錯(cuò)不被激活而發(fā) 生脆斷的幾率； 為位錯(cuò)振動(dòng)頻率； k為波耳茲曼常數(shù)； U()為激活被釘扎的F-R源需要的激活能； T為材料所處的溫度。,可見：由于雙對(duì)數(shù)的關(guān)系，隨著溫度T的升高，p值將很快從1變到0，這就表明了韌-脆轉(zhuǎn)變是發(fā)生在很狹窄的溫度范圍內(nèi) 。,3、韌-脆轉(zhuǎn)化的Cottrell模型-Petch屈服理論解釋 根據(jù)Cottrell模型，材料的屈服強(qiáng)度為 利用Hal1-Petch關(guān)系：y=i+Kyd-1/2 解理斷裂時(shí)，解理斷裂應(yīng)力F=y。而脆斷的臨界條件為T=TK，則可以推導(dǎo)出TK表達(dá)式：,式中：TK為冷脆轉(zhuǎn)化溫度； d為晶粒平均直徑； G為材料的切變模量； 為材料的比表面能； 為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)； 為Hall-Petch關(guān)系式的斜率； 是Cottrell模型中的系數(shù)； B、C為常數(shù)，可通過試驗(yàn)確定。 可見，冷脆轉(zhuǎn)化溫度TK主要取決于材料晶粒的大小d、比表面能和應(yīng)力狀態(tài)。此外還與系數(shù) 、 和B、C兩個(gè)常數(shù)等因數(shù)有關(guān)。 溫度降低和變形速度增加使i和Ky增大，因而引起脆化。,二、低溫疲勞,（1）溫度降低，光滑試樣的疲勞極限明顯提高 （2）材料在低溫下的疲勞缺口系數(shù)增大,結(jié)論：把常溫下測(cè)得的疲勞強(qiáng)度用于低溫零件設(shè)計(jì)一般是安全的，但是材料在低溫下疲勞缺口敏