缺口、冲击、低温下的金属力学性能

1、缺口、冲击和低温下金属的力学 性能 缺口效应 缺口试样在静载荷下的力学性能 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 低温脆性 缺口效应 缺口的几何形状 ：缺口深度；：缺口深度； ：缺口角；：缺口角； ：缺口曲率半径。：缺口曲率半径。 (a)、(b)分别表示圆形截面试样和矩形截面试样。分别表示圆形截面试样和矩形截面试样。 (c)表示代表缺口形状的表示代表缺口形状的3个主要参数个主要参数。 应力集中：应力分布 不均匀并出现最大值 的现象。 缺口效应应力集中 mmax 应力集中系数应力集中系数 K t： 表示缺口试样的应力表示缺口试样的应力 集中程度。集中程度。 m max t K 力线力线 N 对于薄板来

2、说对于薄板来说， 缺口效应两/三向应力状态 缺口前方缺口前方：x 0，y 0， z=0，为，为平面应力状态平面应力状态； 缺口根部：缺口根部：x =0，y 0， z=0，为，为单向拉伸应力单向拉伸应力。 缺口效应两/三向应力状态 缺口前方为缺口前方为 x0，y0， z0，为，为三向应力状态三向应力状态； 缺口根部为缺口根部为 x=0， y0， z0，为，为两向应力状态两向应力状态。 l对于厚板来说，对于厚板来说， yzx 缺口效应1 由以上分析，缺口效应1： 应力集中，及应力状态由单向应力变为两 向/三向。 0.5，塑性变形困难，且抗拉强度，塑性变形困难，且抗拉强度 比光滑试样低，容易脆断。比

3、光滑试样低，容易脆断。 缺口效应应变集中 缺口根部：y=s 缺口前方：y=s+x 缺口强化 应变集中：塑应变集中：塑 性变形集中在性变形集中在 缺口附近了。缺口附近了。 l对于厚板，对于厚板， 三向应力状态三向应力状态 所致所致 缺口效应 缺口试样塑性变形下的应力分布： 试样试样16： 塑性依次增大！塑性依次增大！ 缺口效应应变集中 塑性状态下薄板的应力分布 对于薄板，对于薄板， 缺口效应2 由以上分析，缺口效应2： 缺口使塑性材料强度增高，塑性降低。 缺口强化，屈服强度升高，抗拉强度由于塑性缺口强化，屈服强度升高，抗拉强度由于塑性 变形的约束也升高，但屈服强度升高幅度更大。变形的约束也升高，

4、但屈服强度升高幅度更大。 两种状态的比较 小结： 相同：弹性状态下和塑性状态下都会产生应 力应变集中和三向应力状态，从而导致变脆。 不同：应力最大位置不同，且弹性状态下， 抗拉强度降低，塑性状态下，抗拉强度增大。 缺口效应 缺口效应 1.引起应力集中，并引起三向应力状态或两 向应力状态； 2.使材料强度增高，塑性降低，脆性增大。 缺口试样在静载荷下的力学性能 缺口试样（轴向）静拉伸试验 缺口敏感度NSR (Notch Sensitivity Ratio) ： b b N NSR Nb b 缺口试样的抗拉强度 等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 NSR是衡量静拉伸下缺口敏感性的指标，是衡量静拉伸下缺口

5、敏感性的指标， NSR越大，缺口敏感性越小，反之越大。越大，缺口敏感性越小，反之越大。 脆性材料：脆性材料：NSR1 缺口试样在静载荷下的力学性能 ADF1钢由于具有良好的塑性和韧性，在较宽的回火温度范围钢由于具有良好的塑性和韧性，在较宽的回火温度范围 500630可获得可获得1300MPa以上的强度，而其以上的强度，而其NSR值值1.491.62 明显高于明显高于42CrMo钢，即具有低的缺口敏感性。钢，即具有低的缺口敏感性。 缺口试样在静载荷下的力学性能 缺口试样的初始裂纹在应力集中处形成 塑性差塑性差塑性好塑性好 缺口试样在静载荷下的力学性能 说明：（说明：（a）缺口使塑性材料变脆，缺口

6、越深，脆性越）缺口使塑性材料变脆，缺口越深，脆性越 大；缺口使塑性材料抗拉强度升高。（大；缺口使塑性材料抗拉强度升高。（b）缺口使脆性）缺口使脆性 材料抗拉强度降低。材料抗拉强度降低。 缺口试样在静载荷下的力学性能 缺口试样偏斜静拉伸试验：揭示了在恶劣应力 状态下的安全性能指标。 84 , bnbn 测量指标 bN e b q 举例P47 缺口试样在静载荷下的力学性能 Pmax/P越大(面积越大)， 缺口敏感性越低； Pmax/P越小(面积越小)， 缺口敏感性越高； Pmax/P=1(面积为0)， 缺口缺口敏感性最大。 缺口试样静弯曲试验：评定弯曲应力下结构钢的缺 口敏感性和裂纹敏感性。 弹性

7、变形功弹性变形功 塑性变形功塑性变形功 撕裂功撕裂功 Pmax/P1，随着随着Pmax/P的减小，缺口敏感性增大。的减小，缺口敏感性增大。 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 冲击载荷：使应变速率大于10-2S-1的外加载荷。 冲击载荷下变形和断裂的特点： 位错运动阻力增大，材料的屈服强度提高； 抗拉强度也随之增加。（下图） 屈服强度提高的程度较高屈服强度提高的程度较高 结论：结论：冲击致脆冲击致脆！ 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 增加应变速率，抗 拉强度也随之增加。 冲击弯曲试验： 标准试样 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 缺口试样缺口试样 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 冲击试样： 缺口试样

8、在冲击载荷下的力学性能 缺口试样冲击弯曲试验是测量冲击韧性来 评定材料在冲击载荷下对缺口的敏感性。 冲击韧性Ak：材料在冲击载荷的作用下发生 断裂所需要的能量，即材料在冲击载荷作 用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 Ak=mg(H1-H2) 冲击弯曲试验原理： 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 关于Ak的几点说明： Ak不是被材料各点均匀消耗的； Ak无明确的物理意义，是一个定性的量，Ak 越大，脆化趋势越小； Ak并不能精确反映材料的韧脆程度； Ak也可以用断口形貌推出。 缺口试样在冲击载荷下的力学性能 缺口冲击试验的应用 冲击韧性可以有条件地作为一个零件工作

9、时的安全性指标； 可用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、 焊接及热处理等热加工工艺的质量； 可用来评定材料的冷脆倾向。 低温脆性 低温脆性现象 北方冬季气候寒冷的环境下，桥梁和轮船的 断裂； 泰坦尼克号的沉没. Titanic近代船用钢板近代船用钢板 低温脆性：当试验温度低 于某一温度tk时，材料由 韧性状态转变为脆性状态， 冲击值明显下降，断口特 征由纤维状变为结晶状， 断裂机理由微孔聚集型变 为穿晶解理的。 低温脆性 冷脆金属冷脆金属 韧脆转变温度 低温脆性 出现韧脆转变温度的出现韧脆转变温度的 根本原因：根本原因：体心立方金体心立方金 属的屈服强度随温度降属的屈服强度随温度降 低急剧增加

10、的结果！低急剧增加的结果！ 低温脆性 低温脆性 外因外因内因内因 应力状态、性质晶体结构 缺口尖锐度化学成分 试样尺寸晶粒大小 金相组织 韧脆转变温度tk的影响因素： 凡是能提高韧性的因素，都可以使凡是能提高韧性的因素，都可以使t tk k降低，反之，降低，反之， 都可以使都可以使t tk k升高。升高。 低温脆性 应力状态、缺口和尺寸对应力状态、缺口和尺寸对t tk k的影响：的影响： 应力为冲击载荷，且加载速率越大；应力为冲击载荷，且加载速率越大； 有缺口，且缺口越尖锐；有缺口，且缺口越尖锐； 试样尺寸越大。试样尺寸越大。 tk越大，冷脆现象越明显。越大，冷脆现象越明显。 低温脆性 图图2

11、 2 合金元素对韧脆转变温度的影响合金元素对韧脆转变温度的影响 化学成分对化学成分对tk的影响：的影响： 低温脆性 晶粒大小对晶粒大小对tk的影响：的影响： 低温脆性 金相组织对tk的影响 按照tk由高到低的顺序为：珠光体、上贝氏 体、铁素体、下贝氏体和回火马氏体。 第二相质点细小、弥散分布于基体中时， 材料韧性提高，tk降低。 低温脆性 韧脆转变温度tk的意义：反映了温度对韧脆 性的影响，是金属材料的韧性指标，也是 安全性指标，但是tk对试验条件的依赖性很 大。 韧性温度储备：=t0-tk，t0为材料使用温 度。越大越安全。 低温脆性 冷脆转化温度的评定 系列冲击试验 落锤试验 低温脆性 缺

12、口试样系列冲击试验：在从高温到低温 一系列不同温度下进行缺口试样冲击试验， 其目的是测定金属材料在这种试验条件下 的脆性转变温度。 冲击吸收功-温度曲线（能量法） 断口各区面积-温度曲线（断口形貌法） 低阶能对应温度定义为 tk，记为NDT； 高阶能对应温度定义为 tk，记为FTP； 低阶能和高阶能的平均 值对应温度定义为tk， 记为FTE。 低温脆性 按能量法定义tk的方法： 断口结晶区为100%时对 应的温度定义为tk，记为 NDT； 断口纤维区为100%时对 应的温度定义为tk，记为 FTP； 结晶区面积占整个断口面 积50%时对应的温度定义 为tk，记为50%FATT。 低温脆性 按断

13、口形貌定义tk的方法： 低温脆性 落锤试验 试样试样试验方法试验方法 随温度的降低，板材从不裂到产生裂纹，最后发生随温度的降低，板材从不裂到产生裂纹，最后发生 断裂，便可以测出试样开裂的最高温度，这个温度断裂，便可以测出试样开裂的最高温度，这个温度 叫做无塑性转变温度，简称叫做无塑性转变温度，简称NDT。 低温脆性 断裂分析图(简称FAD)：根据落锤试验求得的NDT可 以做出各种裂纹尺寸下的试件的断裂应力与试验温 度的关系曲线。 低温脆性 板厚（板厚（mm）2575150300 FTE=NDT+ 35506070 FTP=NDT+ 70120135140 FTEFTE和和FTPFTP与与NDTNDT之间有着较好的定量经验关系之间有着较好的定量经验关系: : 用落锤试验测出用落锤试验测出NDT后就可以作出完整的断裂后就可以作出完整的断裂 分析图。分析图。 本章总结 缺口对材料的影响：产生应力应变集中， 以及三向或两向应力状态。 缺口效应：一是引起应力应变集中，并引 起三向应力状态或两向应力状态；二是使 材料强度增高，塑性降低，脆性增大。 冲击弯曲 缺口试样系列冲击试验 落锤试验 本章总结 屈服强度随温度变化示意图 低温脆性