第六章切口强度与切口冲击韧性..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19401951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20.35J（15ft1bf)(1英尺磅力1.35582牛米)韧性钢板，其AKV值在10时高于20.35J。,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=bNb若NSR1.0，表示材料对切口不敏感，或者说材料是切口韧性的；若NSR1.0，则材料对切口敏感，材料是切口脆性的60。,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。,将最大应力max与名义应力n之比定义为应力集中系数Kt的定义：Kt=max/n,图6-1受拉伸的中心圆孔扳,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）,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。,图6-7零件中的切口根部塑性区（1）和材料元（2）,(1)脆性材料-脆性材料遵循正应力断裂准则。Ktni=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。Ktni=（Eff）1/2(6-14)公式(6-14）是塑性材料的切口根部裂纹起始准则。(Eff）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Ktn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Ktni=0.64（Eff）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KtKbN，NSRf，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，sf，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=20.35J对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT，这是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（NillDuctilityTemperature)称为零塑性温度。在NDT以下，试件的断口为100的结晶状断口。,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50FATT(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。这是韧性的温度储备。韧性温度储备的大小取决于机件的重要程度。,图6-13冲击断口形貌示意图,影响因素：,钢的成分、组织和冶金质量。a.降低钢中的碳、磷含量；细化晶粒，热处理成低碳马氏体和回火素氏体，可提高高阶能；b.增加钢中碳、磷、氧含量，Si、