第二章 动载荷下材料的力学性能11.ppt

动载荷下材料的力学性能 第2章 材料韧断评价方法 材料的力学性能与材料本身的性质有关韧性材料 脆性材料 韧 脆的相对性 韧脆性评价方法 材料的缺口冲击弯曲实验 材料的冲击韧性 韧脆影响因素 1 温度的影响 低温脆性 1 应力状态的影响 三向拉应力状态 1 变形速度的影响 冲击韧断 材料低温脆性事故举例 1 泰坦尼克号的沉没事故 2 Libertyship Victoryship美国在WoldWor 建造的约1万吨级的运输船 weldedlibertyship 3 T 2Tankers美国在WoldWor 的油槽船冬天突然断裂 第一节缺口效应 生产上绝大多数机件或构件都是含有缺口的 如键槽 油孔 台阶 螺纹等 必须考虑缺口对材料的性能影响 一 缺口试样的应力分布 1 缺口试样在弹性状态下的应力分布 缺口的应力集中 缺口的效应 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 2 缺口试样在塑性状态下的应力分布 二 缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸 1 缺口试样 2 缺口敏感度 切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比 缺口敏感度 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 3 缺口偏斜拉伸试验 4 缺口静弯试验 图零件中的切口根部塑性区 1 和虚拟的材料元 2 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 形成于切口根部裂纹的亚临界扩展 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 如下图所示 三 切口根部裂纹形成准则 缺口试样的力学行为 缺口试样的断口特征 第二节冲击韧性 冲击韧性的定义指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 用标准试样的冲击吸收功表示 意义 评价材料承受冲击载荷的能力揭示材料在冲击载荷下的力学行为冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度 幅度和频率 冲击载荷下的应力 应变曲线 P36图2 6 冲击失效的特点 与静载荷下相同 弹性变形 塑性变形 断裂 吸收的冲击能测不准 时间短 机件 与机件连接物体的刚度 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 材料的弹性行为及弹性模量对应变速率无影响 因为弹性变形的速率4928m s 普通摆锤冲击实验的绝对变形速率5 5 5m s 影响冲击性能的微观因素 位错运动的速率提高 滑移临界切应力增加 材料的冲击韧性提高 同时开动的位错源增加 屈服强度提高的较多 内部的塑性变形不均匀 二 冲击韧性实验 2 冲击实验原理 3 缺口实验试样 4 切口冲击韧性用途 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 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 第三节低温脆性 一 低温脆性现象1 定义当温度低于某一温度时 材料由韧性状态转变为脆性状态 冲击值明显下降 这种随温度降低 材料的韧性状态转变为脆性状态的现象称为低温脆性 事故举例 事故举例 冷脆现象的三种类型 图冷脆现象的三种类型 材料两个强度指标的变化 低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果 见右图 屈服点随着温度的下降而升高 但材料的断裂强度随着温度的变化很小 两线的交点对应的温度就是tK 缺口对冷脆转变温度的影响 二 韧脆转化温度及落锤试验 1 冷脆转变温度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 1 按能量定义tk的方法 当低于某一温度 材料吸收的冲击能量基本不随温度变化 形成一个平台 该能量称为 低阶能 当高于某一温度时 材料吸收的冲击能量基本不变 出现一个上平台 称为 高阶能 能量法确定冷脆温度有下列几种 1 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 2 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 3 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 FractureTransitionElastic 2 按断口形貌定义tk的方法 冲击试样冲断后 断口形貌见下图 试验表明 在不同的试验温度下 纤维区 放射区与剪切唇三者之间的相对面积 或线尺寸 是不同的 温度下降 纤维区面积突然减少 结晶区面积突然增加 材料由韧变脆 通常取结晶区面积占整个断口面积的50 时的温度tk 记为50 FATT或FATT50 t50 冷脆温度的应用 韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计 保证机件服役安全 但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸 机件的最低使用温度必须高于tk 两者相差越大越安全 所以选用的材料必须应该具有一定的韧性温度储备 也就是说具有一定的温差 冷脆温度的应用 同一材料 使用同一定义方法 由于外界因素的变化 如试样尺寸 缺口尖锐度和加载速率 tk也要变化 所以 在一定条件下用试样测得的tk 由于和实际结构工况之间无直接联系 所有不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆断 2 落锤试验 落锤试验断裂分析图 三 影响冲击韧性和冷脆转变温度的因素 材质因素化学成分晶粒尺寸显微组织外部因素试样尺寸和形状加载速率 1 化学成分 1 碳含量的影响 2 合金元素 2 晶粒尺寸 细化晶粒不但可以降低冷脆转变温度 而且可以增加强度 改善塑性和韧性 细化晶粒成为重要的强韧化手段之一 3 显微组织 组织结构 在给定强度下 钢的冷脆转化温度决定于转变产物 就钢中各种组织来说 珠光体有最高的脆化温度 按照脆化温度由高到低的依次顺序为 珠光体 上贝氏体 铁素体 下贝氏体和回火马氏体 第二相 4 试样尺寸和形状 试样尺寸增加时 应力状态变硬 脆性增大 脆变温度升高 5 加载速率 提高加载速率 使材料的脆性增大 冷脆温度提高 第四节疲劳现象及其一般规律 定义 机件在服役过程中 由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以至断裂失效的过程 称为疲劳 疲劳占整个机件失效的80 左右 疲劳属低应力循环延时断裂 其断裂应力水平往往 s 不产生明显的塑性变形 呈现突然的脆断 所以疲劳断裂是一种非常危险的断裂 所以工程研究中疲劳的规律 机理 力学性能指标 影响因素等 就具有重要的意义 一 变动载荷与循环应力 疲劳失效 定义 指零件在变动载荷和应变的长期作用下由于累积损伤而引起的断裂和破坏现象 特点 延时断裂 具有寿命周期突发性的脆性断裂 容易造成灾难性的事故对缺口 裂纹和组织缺陷十分敏感疲劳断裂过程也是裂纹萌生和扩展的过程 相应的断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区 疲劳的分类 疲劳断口的三个不同区 疲劳宏观断口的特征 疲劳宏观断口的特征 疲劳宏观断口的特征 1 疲劳源裂纹的萌生地 裂纹处在亚稳扩展过程中 由于应力交变 断面摩擦而光亮 加工硬化 随应力状态及其大小的不同 可有一个或几个疲劳源 2 疲劳区断面比较光滑 并分布有贝纹线 循环应力低 材料的韧性好 疲劳区大 贝纹线细 明显 有时在疲劳区的后部 还可以看到沿扩展方向的疲劳台阶 3 瞬断区一般在疲劳源的对侧 脆性材料为结晶状断口 韧断材料有放射状纹里 边缘为剪切唇 二 疲劳曲线及疲劳抗力 疲劳曲线是疲劳应力和疲劳寿命之间的关系曲线 疲劳应力是疲劳设计的基本理论依据 疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验测定 循环应力越高 疲劳寿命越短 循环应力越低 疲劳寿命越长 图典型的疲劳寿命曲线 疲劳寿命曲线又称为Wohler曲线 习惯上也称作S N曲线 p48图2 19和图2 20 从加载开始到试件断裂所经历的应力循环数 定义为该试件的疲劳寿命 Nf 1 疲劳寿命曲线 几种材料的疲劳曲线 缺口对疲劳性能的影响 疲劳寿命曲线可以分为三个区 1 低循环疲劳 LowCycleFatigue 区在很高的应力下 在很少的循环次数后 试件断裂 有较明显的塑性变形 一般认为 低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限 疲劳寿命在0 25到104或105次之间 因此 低循环疲劳又可称为短寿命疲劳 2 高循环疲劳 HighCycleFatigue 区在高循环疲劳区 循环应力低于弹性极限 疲劳寿命长 Nf 105次循环 且随循环应力降低而大大地延长 试件在最终断裂前 整体上无可测的塑性变形 因而在宏观上表现为脆性断裂 在此区内 试件的疲劳寿命长 故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳 3 无限寿命区或安全区试件在低于某一临界应力幅 ac的应力下 可以经受无数次应力循环而不断裂 疲劳寿命趋于无限 即 a ac Nf 故可将 ac称为材料的理论疲劳极限或耐久限 在绝大多数情况下 S N曲线存在一条水平渐近线 其高度即为 ac 2 疲劳极限 材料的疲劳抗力包括 疲劳极限过载持久值疲劳缺口敏感度 疲劳极限是材料抵抗无限次应力循环也不产生疲劳断裂的强度指标 条件疲劳极限是材料抵抗规定循环次数而不发生疲劳断裂的强度指标 疲劳强度是保证机件疲劳寿命的重要性能指标 疲劳强度 过载持久值 材料在高于疲劳极限应力下运行 发生疲劳断裂的应力循环周次 称为过载持久值 也称有限疲劳寿命 疲劳曲线倾斜部分越陡直 即损伤区窄 则持久值越高 抗疲劳过载的能力越好 过载损伤界由实验确定 疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成 疲劳缺口敏感性 第三节疲劳裂纹的形成和扩展 疲劳过程一般包括疲劳裂纹的形成 裂纹亚稳扩展和最后失稳扩展三个阶段 疲劳裂纹的形成由微观裂纹开始的 微观裂纹的形成 长大及连接将导致宏观疲劳裂纹的产生 疲劳裂纹的形成 滑移带开裂形成裂纹相界面开裂形成裂纹晶界面开裂形成裂纹 滑移带开裂 驻留滑移带在交变载荷作用下 永留或能再现的循环滑移带 称为驻留滑移带 通过位错的交滑移 使驻留滑移带加宽 挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中 还会向前或向后移动 形成挤出峰和挤入槽 循环过程中 峰 槽不断增加 增高 或变深 孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽 滑移带开裂 滑移带开裂 2 相界面开裂产生裂纹 3 晶界开裂产生裂纹 晶界就是面缺陷位错运动易发生塞积 出现应力集中 产生开裂 二 疲劳裂纹的扩展 2 疲劳裂纹扩展模型 1 塑性钝化模型裂纹不再扩展的过程 称为 塑性钝化 该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用 材料的强度越低 裂纹扩展越快 条带越宽 三 影响疲劳强度的因素 p54表2 1 1 工作条件 载荷频率提高载荷频率可以提高疲劳抗力 图2 27次载锻炼材料在低于疲劳极限的应力下运转一段时间后 疲劳极限得到提高 这种次载强化叫做次载锻炼 间歇运行中间歇空载一段时间后 可以提高疲劳强度和疲劳寿命 低于疲劳极限运行时 间歇加载提高疲劳效果明显 间歇过载会降低疲