第liu章 断裂.ppt

第六章切口强度与切口冲击韧性 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1940 1951年间断裂 另1200艘发现裂缝 1952年 FortMacar 油轮断裂 2年后 英国20000t油轮 WorldConrad 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 6 1前言1 广义的 切口 切口的存在造成 应力应变集中和多向性 二战事故分析的结论 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 韧性钢板 其AKV值在10 时高于15ft lbf 6 1前言 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 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 带有切口的板条 因杆件外形突然变化而引起局部应力急剧增大的现象 称为应力集中 6 2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 n 应力集中系数Kt的定义 Kt max n 2 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 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 bN b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 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 切口强度通常用切口圆柱试件 见图6 5 a 或双切口平板试件 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 称为切口塑性 NotchDuctility 图6 5切口试件与切口几何 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切口强度的估算 6 4 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6 7所示 1 脆性材料 脆性材料遵循正应力断裂准则 Kt ni 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 塑性材料塑性材料遵循正应变断裂准则 Kt ni E f f 1 2 6 14 公式 6 14 是塑性材料的切口根部裂纹起始准则 E f f 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Kt n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Kt ni 0 64 E f f 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 切口强度比 切口敏感度系数 当Kt1 0 当Kt KbN NSR 1 0 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 d 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 d dt 单位为s 1 6 6切口冲击韧性 6 6 1冲击载荷的特点 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 25 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度 幅度和频率 应变率 de d e为真应变静拉伸试验 10 5 10 2s 1冲击试验 102 104s 1一般情况下 10 4 10 2s 1 可按静载荷处理 6 6 2切口冲击韧性的测定 常用的冲击试验原理如图6 9所示 冲击韧性试验机 6 6 2切口冲击韧性的测定 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 且有弹性和塑性 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 试验 质量m的摆锤 举至高度H 势能mgH1 锤释放 将试件冲断 摆锤失去一部分能量 这部分能量就是冲断试件所作的功 称为冲击功 以Ak表示 剩余的能量使摆锤扬起高度H2 故剩余的能量即为mgH2 Ak mgH1 mgH2 mg H1 H2 6 22 Ak的单位为Kgf m或J 图6 9摆锤冲击试验原理示意图 切口为U型 冲击韧性值 aKU Ak AnAk 冲击功 AN 净断面积 V型切口 冲击韧性值 aKV AK An 切口为U型 V型切口 33 冲击断口同样也为纤维区 放射区 剪切唇三个区 若试验材料具有一定的韧性 可形成两个纤维区 即 纤维区 放射区 纤维区 剪切唇 裂纹快速扩展形成结晶区 到了压缩区后 应力状态发生变化 裂纹扩展速度再次减小 形成纤维区 系列冲击试验 奥氏体钢 低强度铁素体钢 高强度钢 6 6 3切口冲击韧性的意义及应用 切口试什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 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 具体用途有 确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度 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 评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性 37 过程设备设计 韧性 临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性 如果钢的韧性高 压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大 安全性也越高 为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展 压力容器常选用韧性好的钢材 Akv 夏比V型缺口冲击吸收功Akv 能较好地反映材料的韧性 与断裂韧性有较好的数值联系 世界各国压力容器规范标准都对Akv提出了要求 材料从弹塑性变形到断裂过程中吸收能量的能力 韧性反映了材料对裂纹或缺口的敏感程度 6 7低温脆性 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 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 s f 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 s f 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 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 有下列几种 1 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 2 图6 12中的曲线有两个平台 上平台所对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 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FTT FractureTransitionTemperature 3 将高阶能开始降低的温度定义为韧 脆转化温度 记为FTP FractureTransitionPlastic 当温度高于FTP 试件的断口为100 的纤维状断口 断口形貌法断口上有纤维区 放射区 结晶区 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50 FATT FractureAppearanceTransitionTemperature 在低温下服役的零件 其最低工作温度应高于韧 脆转化温度 这是韧性