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文档简介
2020 2 5 材料力学性能讲义 大连理工大学材料科学与工程学院曹志强教授 2020 2 5 材料力学性能讲义 第一章材料单向静拉伸的力学性能第二章材料在其它静载下的力学性能第三章材料的冲击韧性和低温脆性第四章材料的断裂韧性第五章材料的疲劳性能第六章材料的磨损性能第七章材料的高温力学性能 2020 2 5 第二章材料在其它静载下的力学性能 金属材料在常温静载荷条件下 除单向静拉伸外 还有压缩 弯曲 扭转或缺口试样拉伸等不同的测试方法 其目的在于 一 尽量接近材料真实的服役环境 测定材料在相应条件下的力学性能指标 从而在应用中作为设计和选材的依据 二 不同的加载方式将产生不同的应力环境 材料将表现出不同的力学行为 2020 2 5 单元六面体上的应力分量 xy 复杂应力状态用受力点单元六面体的六个应力分量表示 正应力导致脆断 切应力导致韧断 yx 2020 2 5 第一节 应力状态软性系数材料在不同应力状态下 所表现出来的力学性能是不同的 根据材料力学知识 任何复杂的应力状态可分为三个主应力 1 2 3来表示 而最大应力可以由主应力表示 最大切应力 max 1 3 2最大正应力 max 1 2 3 应力状态软性系数 单向拉伸时的应力状态只有 1 2 3 0代入上式后得 0 5 2020 2 5 表2 1典型加载方式下软性系数 2020 2 5 值越大的试验方法中 表示试样中最大切应力分量越大 应力状态越 软 金属越容易产生塑性变形和韧性断裂 如 三向等压缩 反之 值越小的试验方法中 表示试样中最大正应力分量越大 应力状态越硬 越容易产生脆性断裂 如三向等拉伸 塑性较好的材料应在 值较小的方法中试验 以观察其脆性倾向 塑性较差的材料应在 值较大的状态下试验 以观察其塑性性能 2020 2 5 1 压缩试验测定的力学性能指标要求h0 d0 1 2抗压强度相对压缩率相对断面扩展率 压环强度试验 图2 1 第二节 压缩及其性能指标 2020 2 5 2 压缩试验的特点及其应用 1 2 主要用于脆性材料 可产生一定塑性变形对于脆性材料为了反映其在塑性状态下的力学行为 以比较其微小的塑性差异 则必须采用压缩试验 2 多向不等压缩试样的应力状态软性系数 2对于在接触表面处承受多向压缩应力的机件 也常采用多向压缩试验 使试验条件更接近实际服役条件 对于脆性材料施加多向不等压缩载荷 由于 2 更易表现其塑性 3 压缩不能使塑性材料断裂 2020 2 5 2020 2 5 1 弯曲试验测定的力学性能指标金属杆件试样承受弯矩作用后其内部应力主要为正应力 但在截面上分布极不均匀 表面应力最大 而心部为零 且应力方向发生变化 因此 金属在弯曲加载下所表现的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的不完全相同 图2 3 第三节弯曲及其性能指标 2020 2 5 a三点弯曲是将圆柱形或矩形试样放置在跨矩为L的支座上 进行加载F 记录弯曲力和试样挠度曲线 确定金属在弯曲力作用下的力学性能 最大正应力 2020 2 5 b四点弯曲是将上述试样放置在跨矩为L的支座上 在距两侧各为K的位置加载F 2 记录弯曲力和试样挠度曲线 确定金属在弯曲力的作用下的力学性能 圆柱试样抗弯截面系数 对于宽b高h的矩形试样 W bh2 6 2020 2 5 图2 4 1 规定非比例弯曲应力过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点 A点所对应的力值为所测得的规定非比例弯曲力Fpb然后计算出最大弯矩M 然后求出试样抗弯系数W 继而求出规定非比例弯曲应力 pb 2020 2 5 2 抗弯强度 bb抗弯强度 试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力 按弹性弯曲公式计算的最大弯曲应力 从弯曲力 挠度曲线上B点上读取相应的弯曲力Fbb 或从测力盘上直接读取 按前面公式计算出最大弯曲力矩Mbb 然后算出试样抗弯截面系数W 继而计算出抗弯强度 bb 2020 2 5 淬火温度对合金工具钢抗抗弯强度的影响 图2 2几种合金工具钢的淬火温度对抗弯强度及挠度的影响 150 回火 840 9SiCr CrMn Cr12 bb MPa fbb mm 870 淬火温度 855 2020 2 5 2 弯曲试验的特点及应用 1 弯曲加载时受拉的一侧应力状态基本上与静拉伸时相同 可用于测定那些太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度 2 截面上应力分布也是表面最大 可以用于比较和评定材料表面处理层的质量 3 较软的塑性材料难以发生断裂 最好采用拉伸试验 2020 2 5 第四节扭转的力学性能 圆柱试样承受扭矩M进行扭转时 试样表面的应力状态如图2 5 在与试样轴线呈45 的两个截面上承受最大与最小正应力 1及 3 在平行和垂直于轴线的截面上承受最大切应力 弹性变形阶段 试样横截面上切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的 表层产生塑性变形后 切应变的分布仍保持线性关系 而切应力则不再呈线性分布 图2 5 T T 2020 2 5 1 扭转实验测定的力学性能指标扭转试验试样 扭转试样有直径d0 10mm 长度L0分别为50mm或100mm两种 试验过程 对试样施加扭矩T 随着扭矩的增加 试样标距l0间的两个横截面不断产生相对转动 其相对扭角以 单位为rad 表示 扭转是测得扭矩 扭角 T 曲线表示 T T 2020 2 5 规定非比例应变达到规定值时扭转应力 A点 p Tp W圆柱试样截面系数W d03 16 扭转屈服强度 s TS W s为残余扭转切应变为0 3 时的扭矩 抗扭强度 K点 b Tb WTb为试样断裂前的最大扭矩 图2 7扭矩 扭角曲线 剪切弹性模数 0 3 d0 2l0 100 B 2020 2 5 1 扭转实验的特点及应用 1 扭转的应力状态软性系数 0 8 较拉伸的应力状态软性系数 0 5 髙 故可用来测定脆性材料的强度和韧性 2 扭转试样截面的应力分布为表面最大 心部最小 可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验 3 可用来精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力 4 扭转试样是测定材料切断强度的最可靠方法 2020 2 5 塑性材料的断裂面与试样轴线垂直 断口平整 有回旋状塑性变形痕迹 为切应力造成的切断断口 a 脆性材料断裂面与轴线成45 呈螺旋状 这是正应力作用下产生的正断 b 图2 6 2020 2 5 第五节缺口试样静载力学性能8前述均为光滑 且横截面均匀的试样 但实际机件不可能是完全光滑的 往往存在着截面的急剧变化 如健槽 油孔 螺纹等 这种截面变化的部位可视为缺口 由于缺口的存在 在静载荷作用下 缺口截面上的应力状态将发生变化 即产生所谓 缺口效应 从而影响材料的力学性能 2020 2 5 图2 9缺口试样应力集中现象 缺口试样如图2 9所示 图 a 为力线分布 在载荷作用下 远离缺口处力线是均匀分布的 但在缺口附近由于截面积减小使力线密集 应力加大 缺口顶端应力最大 如图 b 所示 向内部逐渐减小 产生了应力集中现象 一 缺口处的应力分布特点及缺口效应 2020 2 5 缺口顶端的最大应力取决于缺口的几何参数 形状 深度 角度及根部的曲率半径 以曲率半径影响最大 缺口越尖锐 应力集中越严重 应力集中程度可以用理论应力集中系数Kt表示 Kt max max 最大应力 平均应力 Kt值与材料无关 只决定于缺口的几何形状 可从手册查到 比如 若缺口为椭圆形 Kt 1 2a b a b分别为椭圆的长短轴 若缺口为圆形 则Kt 3 2020 2 5 1 弹性状态下的应力分布图2 10薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布轴向应力 y在缺口根部最大 并随着离开根部的距离加大而降低 在根部产生应力应变集中效应 第一缺口效应 应力应变集中 图2 10薄板缺口拉伸弹性状态下的应力分布 2020 2 5 薄板受拉伸后 在X方向上也出现应力 x 它是由于纵向拉伸的过程中出现了横向收缩而引起的 y方向上的拉应力 产生了纵向应变 y 引起横向应变 x 由于薄板的连续性 不允许板材自由收缩 因此 产生了横向应力 x 由于使用的是薄板 z方向可以自由变形 因此 z为零 2020 2 5 图2 10薄板缺口拉伸弹性状态下的应力分布 在缺口自由表面 因不存在x方向的约束 可以自由收缩 故 x 0 在离缺口不远处 x有一极大值 这是由于在缺口附近 y的应力梯度很大 相应的微单元的横向收缩差也很大 所以在很小的x距离内 x便升高到最大值 2020 2 5 厚板弹性状态下的应力分布如图2 11 缺口根部为两向拉伸应力状态 而内侧为三向拉伸的平面应变状态 这种两向或者三向应力状态 就是缺口的第二效应 厚板Z向变形受到约束 z 0且 y z x 图2 11厚板缺口拉伸弹性状态下的应力分布 2020 2 5 2 塑性状态下的应力分布对于塑性好的材料 若根部产生塑性变形 应力将重新分布 并随载荷的增加塑性区逐渐扩大 直至整个截面上都产生塑性变形 根据屈雷斯加判据根部 x 0 所以 y s当缺口内侧截面上局部区域产生塑性变形后 最大应力已不在缺口根部 而在其内侧一定距离ry处 该处 x最大 所以 y z也最大 图2 12缺口内侧截面上局部区域屈服后的应力分布 2020 2 5 显然 随着塑性变形的内移 各应力峰值越来越大 局部是屈服强度的3倍 位置也移向中心 越过交界处 x y z呈连续下降状态 缺口强化是缺口存在的第三个效应塑性材料的缺口强度极限比同截面光滑试样高 缺口强化不是强化金属的有效方法 它只能使金属产生脆化 2020 2 5 二 缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸缺口敏感性 材料因存在缺口造成的三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向 缺口偏斜拉伸试验过程中 试样在承受拉伸力的同时还承受弯曲力的作用 承受复合载荷 故其应力状态更硬 缺口截面上的应力分布更不均匀 因而 更能显示材料的缺口敏感性 用于高强度材料的缺口敏感性 钢和钛的氢脆以及高温合金的缺口敏感性分析 45 60 0 1 0 2mm dN 7 8 5mm dN d0 0 7 0 85 图2 13 2020 2 5 缺口敏感度NSR notchsensitivityratioNSR大者缺口敏感性低 还与应力状态 缺口形状 尺寸 实验温度等有关 脆性材料的NSR总是小于1 表明缺口根部尚未发生明显的塑性变形时就已脆断 高强度材料的NSR也小于1 塑性好的材料NSR大于1 2020 2 5 图2 12缺口偏斜拉伸实验装置1 试样2 试验机夹头3 垫圈4 试样螺纹夹头偏斜拉伸试验 拉伸时存在弯曲 一般偏斜拉伸试验有两种类型 根据偏斜角度可分为4 8 相应的缺口抗拉强度记为 4 8 图2 14 2020 2 5 图2 15 2020 2 5 缺口试样轴向拉伸断口形貌如上图所示 裂纹源位于缺口处 然后由表面向内部扩展 如果缺口比较钝或材料塑性好 裂纹源也可能在试样心部形成 但由于试样受表面缺口约束 一般不存在剪切唇 2020 2 5 在缺口偏斜拉伸情况下 裂纹的扩展是不对称的 断口形貌更为复杂 如上图所示 其初始阶段可能是纤维状的 第二阶段则可能是放射状的 当初始阶段和第二阶段相交时便形成了最终破断区 2020 2 5 三 静弯曲性能缺口静弯曲试验也可以显示材料的缺口敏感性 所用试验除如图2 15所述外 还可采用尺寸为10 10 55mm 缺口深度为2mm 夹角为60 的V形缺口试样 图2 16 2020 2 5 图2 17不同材料的缺口弯曲曲线图2 18缺口弯曲曲线 弹性变形区 塑性变形区 断裂区 只有 区对缺口极为敏感 只有 区敏感 全有不敏感 区大好 断裂韧性和冷脆转变 图2 18 图2 17 2020 2 5 第四节硬度一 硬度的意义及硬度实验的特点硬度是衡量材料软硬程度的力学性能 指材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力 硬度试样的意义 硬度是工业生产中最常用的测试方法 它的最大特点是方便快捷 和抗拉强度之间有一定的经验关系 因此 应用最广 硬度测定简便 造成的表面损伤小 基本上属于 无损 检测的范畴 按加载方式分为 压入法和刻划法 2020 2 5 按加载速率分为 1 动态加载法 超声波硬度 肖氏硬度HS 回弹法 锤击式布氏硬度 2 静载压入法 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 显微硬度HV 3 刻划法 莫氏硬度顺序法 划痕法 锉刀法 努氏显微硬度HK 不等四棱锥 2020 2 5 S压痕表面积 F载荷当压力和压头直径一定时 压痕直径越大 布氏硬度值越低 即变形抗力越小 反之 布氏硬度值越高 由于不同材料的硬度不同 试件的厚度不同 测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力 要在同一材料上测得相同的布氏硬度 或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较 压痕的形状必须几何相似 压入角应相等 二 硬度试验1 布氏硬度 2020 2 5 图2 20压痕相似原理 和F D2应为常数 F D2一定时 30 15 10 5 2 5 1 25 1共七种 不变 同一材料厚薄不同软硬不同 图2 19布氏硬度实验原理图 a 钢球压入试样表面 b 卸去载体后测定压痕直径 图2 19 图2 20 2020 2 5 压头直径选定 试件的厚度应大于压痕深度的10倍 尽可能选用大直径的压头 根据材料及其硬度范围 选择F D2 当试样厚度足够时应尽量选用10mm的压头 加载压力与试件表面垂直 均匀平稳 无冲击 压力作用下的保持时间有规定 对黑色金属应为10秒 有色金属为30秒 对HB 35的材料为60秒 压痕直径d不在0 25 0 6D范围无效 布氏硬度的特点和适用范围 压痕面积大 能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能 不受个别相和微区不均匀性的影响 布氏硬度分散性小 重复性好适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度 象灰铸铁和轴承合金等 2020 2 5 布氏硬度机 布氏硬度根据压头材料的不同 分为HBS和HBW两种 其中HBS以淬火钢球为压头 适于测量HBS450以下的材料 而HBW是以硬质合金球为压头 适于测量HBW450 650之间的材料 表示方法 数字 硬度值 硬度符号 HBS或HBW 数字 钢球直径 数字 载荷 数字 保持时间 10 15s不标280HBS10 3000 30 2020 2 5 2 洛氏硬度原理测量压痕深度 压痕愈浅表示材料愈硬 两次加载 压头为 120 金刚石圆锥 或直径1 588 3 175mm淬火钢球 图2 21 2020 2 5 为符合人的思维 即数值越大越硬 规定 h 0 2mm时 HRC 0 h 0 HRC 100 压痕深度每增0 002mm HRC降低1个单位 于是有 k 0 2 金刚石圆锥k 0 26淬火钢球 2020 2 5 试验程序 先加10kg预压力 再加主压力 预压力 主压力 总压力 总压力视材料的软硬而定 不同压头和施加不同的总压力 组成不同的洛氏硬度标尺 常用A B和C三种标尺 C标尺最普遍 HRA硬质合金HRB碳钢 有色合金HRC调质钢 淬火钢HRE HRH铝合金 2020 2 5 图2 22 2020 2 5 优点 因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出 故测定洛氏硬度更为简便迅速 工效高 对试件表面造成的损伤较小 可用于成品零件的质量检验 因加有预载荷 可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响 缺点 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较 由于压痕小 所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感 测试结果比较分散 重复性差 2020 2 5 3 维氏硬度与显微硬度维氏硬度的原理和布氏硬度相同 都是以压痕的表面积来度量材料的硬度 维氏硬度 测量两对角线长度的平均值 求压痕表面积 压头为两相对面夹角 136 金刚石四棱锥体 图2 23维氏硬度试验原理图 图2 23 2020 2 5 数字 HV 数字 数字 10 15s不标注 要求试样厚度大于1 5d 载荷力有六种 5 10 20 30 50 100kgf 显微硬度 原理同上 测量时需抛光 2020 2 5 维氏硬度机 显微硬度机 2020 2 5 维氏硬度的特点和应用维氏硬度测试采用了四方角锥体压头 各种载荷作用下所得的压痕几何相似 载荷大小任意选择 所得硬度值均相同 不受布氏法那种载荷F和压头D的规定条件的约束 测量范围较宽 软硬材料都可测 压痕为一轮廓清晰的正方形 对角线长度易于精确测量 故精度较布氏法的高 材料的硬度小于450HV时 维氏硬度值与布氏硬度值大致相同 2020 2 5 测定极小范围内的硬度 需用显微硬度试验 例如某个晶粒 某个组成相或夹杂物的硬度显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g力的硬度试验显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验 其测试原理和维氏硬度试验相同 仍用HV表示 必须注明载荷大小 以便比较 2020 2 5 4 其他硬度 1 努氏硬度试验 HK 测量压痕投影面积 采用对面角不等的四棱锥金刚石 努氏硬度是维氏硬度的发展 图2 24努氏硬度压头与压痕示意图 a 压头形状 b 压痕形状长短对角线之比7 11 表面淬火层 镀层 淬硬层等 图2 24 2020 2 5 2 肖氏硬度试验 HS 测量金刚石或合金钢球自由落体后回弹高度 3 莫氏硬度 划痕 15级 只表示大小顺序 不表示硬度 4 里氏硬度 HL 回弹速度三 硬度与其他力学性能的关系 k 3 40 5 15 m 0 4 0 6 2020 2 5 作业P551 2 5 6 2020 2 5 材料力学性能讲义9 第一章材料单向静拉伸的力学性能第二章材料在其它静载下的力学性能第三章材料的冲击韧性和低温脆性第四章材料的断裂韧性第五章材料的疲劳性能第六章材料的磨损性能第七章材料的高温力学性能 2020 2 5 许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用 如汽车行驶通过道路上的凹坑 飞机的起落 金属的锻造等 冲击载荷与静载荷的主要区别 在于加载速率的不同 加载速率是单位时间内应力增加的数值 冲击载荷加载速率远高于静载荷 加载速率的增加 形变速率也增加 形变速率 应变率 是单位时间内的变形量 静拉伸应变率为10 5 10 2s 1 冲击试验的应变率为102 104s 1 第三章材料的冲击韧性和低温脆性 2020 2 5 提高应变率将使金属的脆化倾向增大 因此冲击力学性能试验方法可以揭示金属材料冲击时的脆断倾向 实践表明 应变率在10 4 10 2s 1内变化 金属力学性能没有明显变化 而应变率大于10 2s 1时 金属的力学性能将发生显著变化 本章将着重讨论缺口试样冲击弯曲试验方法 以及金属材料的低温脆性 快速拉伸 静拉伸 2020 2 5 机件在冲击载荷下的失效形式仍为过量弹性变形 过量塑性变形和断裂 由于冲击时间会很短 因此 机件在冲击载荷下所受的应力 通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能 再按能量守恒法计算 金属中弹性变形的传播速度非常快 钢中 为4982m s 摆锤绝对变形速度只有5 5 5m s 因此 加载过程中 应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量无影响 但是应变率对金属材料塑性变形 断裂及有关的力学性能却有显著的影响 第一节冲击载荷下金属变形和断裂特点 2020 2 5 第二节冲击弯曲试验与冲击韧性一 冲击弯曲试验1 一次冲击弯曲试验夏比U型缺口和V型试样10 10 55mmAkV mgH1 mgH2 mg H1 H2 2020 2 5 冲击试验机 测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功 常采用10mm 10mm 55mm的无缺口冲击试样 缺口试样冲击吸收的功AK并非完全用于试样变形和断裂 其中一部分用于试样掷出 机身振动以及各种阻力消耗 这些功通常是忽略不计的 但当摆锤轴线和缺口中心线不一致时误差可达10 30 2020 2 5 二 冲击韧性及其工程意义冲击韧性 材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 冲击韧性是数学平均值 实际上缺口截面上的应力应变分布是极不均匀的 塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近 取平均值无物理意义 2020 2 5 用途 1 反映原材料的冶金质量和热加工后产品质量 2 根据Ak 温度曲线 测定材料的韧脆转变温度 以评定材料的低温脆性倾向 用于抗脆断设计 并为机件服役条件设定温度范围 3 对于 s相同的材料 评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性 2020 2 5 第三节低温脆性一 系列冲击实验与低温脆性当试验温度低于某一温度tk时 材料由韧性状态变为脆性状态 冲击吸收功明显下降 断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理断口特征 断口由纤维状变为结晶状 这就是低温脆性 转变温度tk称为 韧脆转变温度 或称为 冷脆转变温度 2020 2 5 材料低温脆性的产生与材料的屈服强度与断裂强度随温度变化趋势有关 断裂强度随温度变化很小 而屈服强度变化较明显 这是因为微观上位错运动阻力对温度变化比较敏感 低温脆性的物理本质 面心立方金属一般无低温脆性现象 bcc金属较fcc更容易脆断 为何有些材料有明显韧脆转变温度而有些则没有 图3 4 2020 2 5 1 NDT nilductilitytemperature 低能级温度 冲击能量基本不随温度而变化 将低阶能开始上升的温度定义为韧 脆转化温度 记为NDT 在NDT以下 试件的断口为100 的结晶状断口 二 韧脆转变温度及其评价方法机件的最低使用温度必须高于冷脆转变温度能量判据与断口形貌判据 图3 5系列温度冲击试验曲线 低阶能 高阶能 NDT FTP 2020 2 5 2 FTP fracturetransitionplastic 上平台所对应的能量称为高阶能高阶能开始降低的温度定义为韧 脆转化温度 记为FTP当温度高于FTP 试件的断口为100 的纤维状断口 3 高能级温度和低能级温度平均值FTE fracturetransitionelastic 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FTE 图3 5系列温度冲击试验曲线 低阶能 高阶能 NDT FTP FTE 2020 2 5 5 V15TT 以V型切口冲击试件测定的冲击功AK 15ft1bf 20 3Nm 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 4 50 FATT fractureappearancetransitiontemperature 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50 FATT 2020 2 5 图3 5系列温度冲击试验曲线 低阶能 高阶能 NDT FTP 如何确定Tk NDT 太可怕 FTP 太保守 FTE 以低阶能和高阶能平均值对应的温度作为Tk FTE 以结晶区面积占断口面积50 的温度作为Tk FATT50 但此方法人为因素较大 2020 2 5 韧性材料冲击试样断口形貌如图3 6所示 缺口根部为三向应力状态 裂纹源在脚跟形纤维状区产生 因为试样中部约束较强 裂纹扩展较快 故形成缺口前方的脚跟形纤维区 图3 6韧性材料冲击试样断口示意图 2020 2 5 裂纹失稳扩展后形成试样中心的结晶状断口区 呈放射状特征 与此同时载荷下降 尚未断裂的面积已比较小 且处于试样边缘 变形比较自由 从而形成二次纤维区及剪切唇 实物断口形貌如图3 7所示 图3 7韧性材料冲击试样断口形貌 2020 2 5 三 落锤试验和断裂分析图 1 落锤试验美国海军派林尼 W S Pellinni 提出的测定全厚钢板的NDT的材料性能评定标准 2020 2 5 试样厚度和实际使用的板厚相同 其典型尺寸为25 90 350mm 19 50 125mm或16 50 125mm 因试样尺寸较大 所以必须用大载荷落锤击断 重锤锤头半径25mm钢柱 硬度大于50HRc 在不同高度条件下 获得340 1650J能量 试样一面堆焊一层脆性合金 64 15 4mm 焊块中割开一个缺口 宽度 1 5mm 深度为焊块厚度的一半 用以诱发裂纹 2020 2 5 试验过程 试样冷却到一定温度后放在砧板上 使焊肉的轧制面朝下处于受拉侧 然后重锤落下进行打击 随温度下降 其力学行为发生如下变化 不裂 拉伸侧表面部分形成裂纹 但未发展到边缘 拉伸侧表面裂纹发展到一侧或两侧边缘 试样断成两部份 一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧或两侧边的最高温度为NDT 2020 2 5 低强度钢NDT脆性断裂设计标准 1 NDT设计标准保证承载时钢的NDT低于工作温度 此时保证高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂 2 NDT 33 设计标准对结构钢而言 FTE NDT 33 适用于原子反应堆压力容器 3 NDT 67 设计标准适用于全塑性断裂 在塑性超载条件下 仍能保证最大限度的抗断能力 也适用于原子能反应堆压力容器标准 2020 2 5 落锤试验的缺点是 对脆性断裂不能给予定量评定 试验使用动载荷 其结果能否用于静载荷尚需研究 对板厚的影响也未考虑 2020 2 5 2 断裂分析图 FAD 断裂分析图即 表示许用应力 缺陷 裂纹 和温度之间关系的综合图解 图3 9表示了各种尺寸裂纹条件下含裂纹材料的断裂应力 c 2020 2 5 断裂分析图为低碳钢构件防止脆断和选材提供了一个有效方法 该图对分析事故原因也有指导作用 该图同样没有考虑加载速率以及板厚的影响 本断裂分析图是在25mm板厚的基础上建立起来的 因此当板厚增加时 约束增加 相应的CAT A BC 也要随之增加 CAT 断裂中止线 2020 2 5 韧脆转变温度tk 也是金属材料的韧性指标 它反映了温度对材料韧脆性的影响 也是安全性能指标 是从韧性角度选材的重要依据之一 可用于抗脆断设计 tk值不能直接用来计算材料的承载能力或截面尺寸 tk值可以直接或间接的估计材料的最低使用温度 很显然 材料的实际使用温度t0应大于tk 对于低温使用的材料要有一定的韧性温度储备 t0 tk 值越大 则材料越安全 2020 2 5 通常 值取40 60 已足够 一般受冲击条件下取60 非重要机件取20 中间取40 60 必须注意 引起材料失效的原因很多 很难从断口反过来寻找断裂原因 由于定义tk的方法不同 同一材料所得的tk值必有差异 同一材料 使用同一定义方法 由于外界因素的改变 tk值也有变化 2020 2 5 第四节影响材料低温脆性的因素 内部因素 化学成分 晶体结构 宏观组织 金相组织 外部因素 温度 加载速率 试样尺寸和形状 1 晶体结构的影响 面心立方晶格的金属 如铜 铝 奥氏体钢 一般不出现解理断裂而处于韧性状态 也没有韧 脆转变 其韧性可以维持到低温 2020 2 5 2 化学成分的影响 间隙溶质影响大 冷脆转变温度升高 因为它们与位错有交互作用而偏聚于位错线附近形成柯氏气团钢中含碳量增加 塑性变形抗力增加 不仅冲击韧性降低 而且韧脆转变温度明显提高 转变的温度范围也加宽了 图3 12含碳量对韧脆转变温度的影响 2020 2 5 合金元素的影响比较复杂 镍 锰以固溶状态存在 降低韧脆转变温度 提高了裂纹表面能 这可能与氮 碳等原子被吸收到Ni Mn所造成的局部畸变区中去 减少了它们对位错运动的钉扎作用有关 在钢中形成化合物的合金元素 如铬 钼 钛等 是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆转变温度的 它和热处理后的组织密切相关 杂质元素如S P等偏聚于晶界 降低晶界表面能 使钢韧性下降 2020 2 5 3 宏观组织 细化晶粒降低冷脆转变温度 晶粒细 滑移距离短 在障碍物前塞积的位错数目较少 相应的应力集中较小 而且由于相邻晶粒取向不同 裂纹越过晶界有转折 需要消耗更多的能量 晶界对裂纹扩展有阻碍作用 裂纹能否越过晶界 往往是产不产生失稳扩展的关键 晶粒越细 则晶界越多 阻碍作用越大 图3 13 2020 2 5 4 金相组织 对于钢而言 各种组织按韧脆转变温度由高到低的顺序为 图3 14马氏体板条束宽度与韧脆转变温度的关系 珠光体 上贝氏体 铁素体 下贝氏体 回火马氏体 不仅如此 马氏体板条束的宽度对韧脆转变温度也有较大影响 如图3 14所示 2020 2 5 5 温度 图3 15钢的常见脆性温度范围 冷脆 蓝脆 重结晶脆性 结构钢在某些温度范围内 冲击功急剧下降 如图3 15所示 冷脆 是结构钢在船舶 压力容器 桥梁等大型结构应用中的关键问题之一 A1 2020 2 5 图3 15钢的常见脆性温度范围 525 550 A1 冷脆 蓝脆 重结晶脆性 蓝脆 碳钢和某些合金钢在一定温度范围内出现脆性 由于在该温度范围内钢表面被氧化呈蓝色 故称蓝脆 静载荷与冲击载荷下都可以看到钢的蓝脆现象 但二者的温度范围不同 静载荷下为237 370 冲击载荷下为525 550 2020 2 5 蓝脆是形变时效加速进行的结果 当温度升高到某一适当的范围内时 碳 氮原子扩散速率增加 易于在位错附近偏聚形成柯氏气团 阻碍位错的运动 这个过程所需的时间较塑性变形发展所需的时间短 因而在塑性变形过程中就产生了时效 使材料强度提高 塑性下降 在冲击载荷下 形变速率较高 碳 氮原子必须在较高温度下才能获得足够的激活能以形成气团 故蓝脆温度较高 2020 2 5 图3 15钢的常见脆性温度范围 525 550 A1 冷脆 蓝脆 重结晶脆性 重结晶脆性 在A1 A3温度区间 钢中为 两相混和组织 冲击值较低 这种脆性称为重结晶脆性 2020 2 5 6 加载速率 提高加载速率如同降低温度使冷脆转变温度升高 7 试样尺寸和形状 缺口尺寸增大脆性增加 按比例增加尺寸时脆性增加 温度 弯曲角 5m s 50m s 75m s 图3 16冲击速率对15 钢塑性及韧脆转变温度的影响 2020 2 5 作业 P651 2 3 4 7 2020 2 5 材料力学性能讲义 第一章材料单向静拉伸的力学性能第二章材料在其它静载下的力学性能第三章材料的冲击韧性和低温脆性第四章材料的断裂韧性第五章材料的疲劳性能第六章材料的磨损性能第七章材料的高温力学性能 2020 2 5 许多高强度 超高强度钢的机件及中 低强度钢的大型 重型机件却经常在屈服应力以下发生断裂 典型的如1950年美国北极星导弹的固体燃料发动机壳体在发射时发生爆炸 二战时期北冰洋上千艘船舶发生脆性断裂 这使得传统的设计思想受到严重挑战 金属的断裂是一种最危险的失效形式 极易造成人员和设备的安全事故 防止方法是选择韧性好的材料 减少热处理过程的热应力 组织应力和机械应力 使用前进行无损检测 第四章材料的断裂韧性10 2020 2 5 这些脆断事故与构件中存在裂纹或缺陷有关 而且断裂应力低于屈服强度 即低应力脆断 1922年Griffith发现低应力脆断是因宏观裂纹的存在引起的 这些断裂都起源于结构性缺陷或裂纹 这些裂纹可能是材料在生产过程或加工过程产生的工艺裂纹 冶金缺陷 铸造裂纹 锻造裂纹 焊接裂纹 淬火裂纹 磨削裂纹等 也可能是机件在工作过程中产生的 疲劳裂纹 腐蚀裂纹等 2020 2 5 断裂力学承认机件中存在有宏观裂纹 利用弹塑性力学理论 研究裂纹尖端的应力 应变及应变能的分布情况 从而 建立起裂纹扩展的各种力学参量 断裂判据及材料的断裂韧度 用来指导实际生产 断裂力学是一门新兴断裂强度科学 建立了强度与宏观尺寸间定量关系 包括线弹性和弹塑性断裂力学 而传统上把材料作为连续 均匀和各向同性受载物体 进行力学分析 确定危险面的应力 应变 考虑安全系数后 对材料提出相应的强度 塑性和韧性要求 防止断裂和其他失效方式发生 2020 2 5 第一节线弹性条件下的断裂韧性大量断口分析表明 金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形 由此可以认为 裂纹尖端处于弹性状态 应力和应变呈线性关系 线弹性力学分析裂纹体断裂问题有两种方法 1 应力应变分析法 得到断裂K判据 应力应变处理方法 研究裂纹尖端附近的应力应变场 提出应力场强度因子及其对应的断裂韧度KIC和K判据 2 能量分析法 得到断裂G判据 能量分析法 研究裂纹扩展时系统能量的变化 提出能量释放率及对应的断裂韧度GIC和G判据 2020 2 5 一 裂纹扩展的基本形式根据外加应力类型与裂纹扩展面的取向关系分为 1 张开型 型 裂纹扩展2 滑开型 型 裂纹扩展3 撕开型 型 裂纹扩展 张开型 型 拉应力垂直作用于裂纹扩展面 裂纹沿裂纹面扩展 如轴的横向裂纹在轴向拉力作用下或弯曲力作用下的扩展 容器的纵向裂纹在内压力下的扩展 桶纵向 等 2020 2 5 滑开型 型 切应力平行作用于裂纹面 且与裂纹线垂直 裂纹沿裂纹面平行滑开扩展 如花键根部裂纹沿切向力的扩展 撕开型 型 切应力平行于裂纹面 且与裂纹线平行 裂纹沿裂纹面撕开扩展 如轴的纵 横向裂纹在扭矩作用下的扩展 2020 2 5 实际上 裂纹的扩展并不局限于这三种形式 往往是它们的组合 但以 型裂纹最危险 也最常见 易引起脆性断裂 而且许多实际情况也可简化成 型裂纹 因此 在研究裂纹体的脆性断裂问题时总是以 型裂纹为对象进行 2020 2 5 二 裂纹尖端的应力场及应力场强度因子K 一 裂纹尖端应力场设一承受均匀拉应力的无限大阪 含有长2a的 型穿透裂纹 其尖端附近 r 处应力 应变和位移分量近似表示为 2020 2 5 2020 2 5 应变分量 2020 2 5 若裂纹尖端附近某一点的位置给定时 则该点的各应力分量唯一地决定于KI之值 KI之值愈大 该点各应力 位移分量之值愈高 KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度 故称为应力强度因子 它综合反映了外加应力裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响 泊松比 E弹性模量 KI应力强度因子 2020 2 5 不同形状裂纹尖端强度因子计算公式 1 无限大板穿透裂纹2 有限宽板穿透裂纹 2020 2 5 3 无限大物体内部有椭圆片裂纹 远处受均匀拉伸 2020 2 5 4 无限大物体表面有半椭圆片裂纹 远处受均匀拉伸 2020 2 5 5 有限宽板单边直裂纹当2b a时 6 受弯单边裂纹梁b为梁的厚度 2020 2 5 二 断裂韧度K C和断裂K判据平面应变断裂韧度K CMPam1 2 代表材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力 Kc为平面应力断裂韧度 在临界状态下所对应的平均应力 称为断裂应力或裂纹体强度 记作 C 对应的裂纹尺寸称为临界裂纹尺寸 记作 ac 2020 2 5 裂纹失稳扩展断裂的断裂K判据为 K K cK 是一个力学参量 表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小 它取决于外加应力 试样尺寸和裂纹形状 与材料无关 K c是材料的力学性能指标 它取决于材料的成分 组织结构等内在因素 而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关 2020 2 5 三 裂纹尖端塑性区及K 的修正 金属材料在裂纹扩展前 其尖端或多或少总要出现一个或大或小的塑性变形区 塑性区或屈服区 因此 在塑性区内的应力应变之间不再是线性关系 上述判据则不适用 但是 如果是小范围屈服下只要对KI进行适当的修正 裂纹尖端附近的应力应变场的强弱程度仍可用KI来描述 为了求得KI的修正方法 首先要了解塑性区的形状和尺寸及等效裂纹的概念 2020 2 5 要确定裂纹尖端塑性区 s的形状及尺寸 就要建立函数表达式r f 该式对应的图形即代表塑性区边界形状 其边界值即为塑性区尺寸 由材料力学可知 通过一点的主应力 1 2 3和x y z方向上各应力分量的关系为 塑性区的形状和尺寸 2020 2 5 2020 2 5 将上述各式代入米赛斯屈服判据 整理合并得到裂纹尖端塑性区尺寸 2020 2 5 根据r的方程绘制的曲线如图4 3所示 由图可见 不管是平面应力或平面应变的塑性区 都是沿x方向的尺寸最小 消耗的变形功也最小 所以裂纹就容易沿x方向扩展 2020 2 5 为了说明塑性区对x方向扩展的影响 将沿x方向的塑性区尺寸定义为塑性区宽度 其值令 0 由上式求得 当 0 3时 式4 12a 变为 4 12a 4 12a 平面应变4 12b 2020 2 5 图4 4应力松弛对塑性区尺寸的影响 y的分布如图中的JBF线所示 我们把引起塑性变形的最大主应力称为有效屈服应力 s 原始塑性区就是r0 在塑性区r0范围内 其应力可视为是恒定的 为 s 当应力超过 s时便产生塑性变形 从而使应力重新分布 裂纹 J B A F x y s D O r0 2020 2 5 但是 在高出 s的那部分应力势必要发生松弛 结果是使屈服区外的弹性区的应力升高 相当于BF线向外推移到CH位置 结果使塑性区的范围从r0扩大到R0 2020 2 5 裂纹 J B F y s D O r0 C H R0 E 由于整个截面上内应力之和不变 从能量角度考虑 图中阴影部分的面积应等于矩形CBDE的面积 即 2020 2 5 对于平面应力状态 R0 2r0 对于平面应变状态 R0 2r0 可见 考虑应力松弛后 不管是平面应力状态还是平面应变状态 扩大后的塑性区的尺寸正好是原来的2倍 且塑性区的宽度总是与 KIc s 2成正比的 2020 2 5 实际上 厚板在平面应变的条件下 由于z向表面自由收缩的影响 表面是平面应力状态 中心是平面应变形 中间有一个过渡形 其塑性区是一个哑铃形的立体形状 2020 2 5 有效裂纹及KI的修正 由于裂纹尖端塑性区的存在 会降低裂纹体的刚度 相当于裂纹长度的增加 因而会影响应力场及KI的计算 所以要对KI进行修正 最简单和实用的方法是在计算KI时采用虚拟有效裂纹代替实际裂纹 2020 2 5 图4 6用有效裂纹修正KI 如图4 6所示 裂纹a前方区域未屈服前 其 y的分布曲线为ADB 屈服并应力松弛后的曲线为CDEF 塑性区宽度为R0 将裂纹延长为a ry 即裂纹顶点由O虚移至O 称a ry为有效裂纹长度 2020 2 5 图4 6用有效裂纹修正KI 此时其尖端O 外 y的分布曲线为GEF 基本和塑性区存在的实际应力分布曲线CDEF中的弹性应力部分EF重合 这就是用有效裂纹代替实际裂纹和塑性区松弛的原理 这样线弹性力学仍然有效 计算时只需用等效裂纹代替原裂纹长度即可 2020 2 5 4 16 4 17 当时 应力场强度因子需要修正 2020 2 5 对于中心穿透裂纹修正式4 16 17变为 平面应力 平面应变 对于半椭圆裂纹 平面应力 平面应变 4 18 4 19 4 21 4 20 修正式4 16 17变为 2020 2 5 对于椭圆裂纹 平面应力 平面应变 4 23 4 22 修正式4 16 17变为 2020 2 5 三 裂纹扩展能量释放率G Griffith认为驱动力是使裂纹扩展的弹性能的释放率Ue 2a2 E 断裂韧度G C和断裂G判据断裂韧度G C 表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面积所消耗的能量断裂G判据 G G C 2020 2 5 第二节断裂韧度的测试一 试样的形状 尺寸及制备 略除本页外 标准三点弯曲试样 紧凑拉伸试样 C型拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样 2020 2 5 为了测定稳定的KIC 式样厚度B 裂纹长度a及韧带宽度 W a 的尺寸规定如下 由于这些尺寸比塑性区大一个数量级以上 故可保证裂纹尖端是平面应变状态和小范围屈服状态 2020 2 5 确定试样尺寸时 应首先估算材料的屈服强度和KIC值 然后确定材料厚度B值 继而确定W L 若材料的KIC值无法估算 则可根据材料的 y E值来确定B的大小 表4 1根据 y E确定试样最小厚度B 2020 2 5 二 测试方法三点弯曲试样得测试方法如右图 主要测量弯曲载荷F和裂纹嘴张开位移V 记F V曲线 根据F V曲线间接确定条件裂纹失稳扩展载荷FQ 图4 8 2020 2 5 F V曲线中Fq的计算方法 先从原点O做一相对直线OA斜率减少5 的割线 确定裂纹扩展2 时的相应载荷F5 F5是割线与F V曲线的交点的坐标值 图4 9F V曲线的三种类型 如果在F5以前没有比其大的载荷 则F5 FQ 如果在F5以前有一个高峰值 则取高峰载荷为FQ 2020 2 5 试样压断后 用工具显微镜测量试样断口的裂纹长度a 由于裂纹前缘呈弧形 规定测量1 4B 1 2B及3 4B三处的裂纹长度a2 a3 a4 取其平均值作为裂纹长度a 图4 10 2020 2 5 三 试验结果的处理三点弯曲试样加载时 裂纹尖端的应力场强度因子KI表达式为 式中Y1 a W 为与a W有关的函数 求出a W之值后 即可查表或由公式求出Y1 a W 值 2020 2 5 将条件裂纹失稳扩展载荷FQ及裂纹长度a代入KI表达式即可 要求 2020 2 5 一 化学成分 组织结构对断裂韧度的影响1 化学成分V B Zr Ti Nb细化晶粒的元素可使断裂韧性提高 固溶强化元素和形成金属间化合物元素则使其降低 而且合金元素浓度越高 降低程度越大 2 基体相结构和晶粒尺寸面心立方固溶体易发生滑移塑性变形 断裂韧性高 形变硬化指数越高 断裂韧性越高 奥氏体钢高于铁素体和马氏体 细化晶粒提高KIc En24钢晶粒度5 6级细化到12 13级 断裂韧性由44 5MPa m1 2提高到84MPa m1 2 第三节影响材料断裂韧性的因素 2020 2 5 3 杂物和第二相的影响非金属夹杂物使断裂韧性降低 脆性相体积分数越高降低程度越大 KIc越低 脆性相本身容易形成微裂纹 降低界面结合能 加快裂纹扩展 形成沿晶断裂 呈粒状弥散分布的碳化物的断裂韧性高于呈网状的碳化物 韧性相形态数量适当时 可使其升高 韧性相可以松弛裂纹尖端的应力集中 降低裂纹扩展速率 图4 11 2020 2 5 4 显微组
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