第二章 金属在其他静载下的力学行为(3缺口)

1、2021-6-23中原工学院1 第五节 缺口试样静载力学性能 n一、缺口效应一、缺口效应 n拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验 方法，都是采用方法，都是采用横截面均匀的光滑试样横截面均匀的光滑试样。 n实际的机件，绝大多数都不是截面均匀实际的机件，绝大多数都不是截面均匀 无变化的光滑体，往往存在截面的急剧无变化的光滑体，往往存在截面的急剧 变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退 刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可 视为视为“缺口缺口”。 2021-6-23中原工学院2 n由于缺口的存在，在静载荷作

2、用下，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会变硬，不缺口截面上的应力状态将会变硬，不 利于材料塑性变形，使之趋于甚至处利于材料塑性变形，使之趋于甚至处 于脆性状态；同时还在缺口根部引起于脆性状态；同时还在缺口根部引起 应力集中，促进裂纹的生成和扩张，应力集中，促进裂纹的生成和扩张， 产生所谓产生所谓“缺口效应缺口效应”，从而影响金，从而影响金 属材料的变形和断裂过程。属材料的变形和断裂过程。 2021-6-23中原工学院3 n在一定的缺口状态下，不同的材料表现的 脆化倾向是不同的。 n在保证强度的前提下，材料脆化倾向越小， 越能保证具有缺口的机件处于安全的韧性 状态，免于脆

3、断危险。因此，对于机件来 说，在选用材料时，除了考虑一般光滑试 样的机械性能外，还应该考虑缺口脆化倾 向。尤其是有缺口的试样，后者更为重要。 2021-6-23中原工学院4 n缺口敏感性试验就是用来测量材料 的缺口脆化倾向的。 n通过缺口敏感性试验，可以衡量材 料在有缺口时的脆化倾向和安全程 度，是处于安全的韧性状态还是处 于危险的脆性状态，为正确选用材 料提供安全可靠的参考依据。 2021-6-23中原工学院5 ( (一一) )缺口试样缺口试样在弹性状态下在弹性状态下的应力分布的应力分布 n设一设一薄板薄板的边缘开有缺口，的边缘开有缺口， 并承受拉应力并承受拉应力作用。当板作用。当板 材处于

4、弹性范围时，其缺口材处于弹性范围时，其缺口 截面上的应力分布如图。截面上的应力分布如图。 n轴向应力轴向应力y y在缺口根部最大。在缺口根部最大。 随着离开根部距离的增大。随着离开根部距离的增大。 y y不断下降，即在缺口根部不断下降，即在缺口根部 产生应力集中。产生应力集中。 n其最大应力决定于缺口几何其最大应力决定于缺口几何 参数参数( (形状、深度、角度及根形状、深度、角度及根 部曲率半径部曲率半径) )，以根部曲率半，以根部曲率半 径影响最大，缺口越尖锐，径影响最大，缺口越尖锐， 最大应力越大。最大应力越大。 2021-6-23中原工学院6 应力集中系数Kt 2021-6-23中原工学

5、院7 横向拉应力x x的形成 nx x是由于材料横向收缩引起的：是由于材料横向收缩引起的： 不同部位纵向应变不同不同部位纵向应变不同 引起引起 横向应变不同横向应变不同 为维护连续的为维护连续的 整体，不允许各部分自由收缩，整体，不允许各部分自由收缩， 彼此约束，各个部位相邻之间必彼此约束，各个部位相邻之间必 然产生横向拉应力，以阻止横向然产生横向拉应力，以阻止横向 收缩分离，收缩分离， x x就产生了。就产生了。 n缺口截面上缺口截面上x x先增后减，缺口处先增后减，缺口处 金属能自由收缩金属能自由收缩x x0 0，向内发展，向内发展， 收缩阻力变大，收缩阻力变大， x x变大。当增大变大。

6、当增大 到一定数值后，到一定数值后， 随随y y不断减小，不断减小， x x也随之下降。也随之下降。 2021-6-23中原工学院8 n 垂直于板面方向金属可以自 由收缩，Z0 n 薄板中心是平面应力状态， 缺口根部仍为单向拉伸应力状 态。 2021-6-23中原工学院9 n如果在厚板上开有缺口， 则受拉伸力作用后，在 垂直于板厚方向的收缩 变形受到约束， n在缺口根部为两向拉伸 应力状态，缺口内侧为 三向拉伸的平面应变状 态。 2021-6-23中原工学院10 缺口的第一个效应缺口的第一个效应 n由上述分析可知，缺口的第一个效应 是引起应力集中，并改变了缺口前方 的应力状态，使缺口试样或机件

7、中所 受的应力，由原来的单向应力状态改 变为两向或三向应力状态，也就是出 现了平面应力状态和平面应变状态。 2021-6-23中原工学院11 n两向或三向不等拉伸的应力状态软性系 数O.5，使金属难以产生塑性变形。 n对于脆性材料或低塑性材料进行缺口试 样拉伸时，很难通过缺口根部的塑性变 形使应力重新分布，往往直接由弹性变 形过渡到断裂。 n由于断裂是在试样缺口根部的最大纵向 应力作用下产生的，在外加载荷较小时， 此应力已达到材料的正断强度而发生断 裂，因此其名义抗拉强度（Fb/A0）必然 比光滑试样的低(?)。 2021-6-23中原工学院12 ( (二二) )缺口试样在塑性状态下的应力分布

8、缺口试样在塑性状态下的应力分布 n对于塑性较好的金属材料，若缺口根对于塑性较好的金属材料，若缺口根 部产生塑性变形，部产生塑性变形，应力将重新分布应力将重新分布， 并随载荷的增大塑性区逐渐扩大，直并随载荷的增大塑性区逐渐扩大，直 至整个截面上都产生塑性变形。至整个截面上都产生塑性变形。 2021-6-23中原工学院13 n以厚板为例，讨论缺口截面上应力重新分布 的过程。 n根据屈雷斯加判据，金属屈服的条件是 n在缺口根部 n因此，当外加载荷增加时,y y也随之增加， 缺口根部将最先满足屈服条件而首先屈服。 n一旦根部屈服，则y y便松弛而降低到材料的 s s值（）。 n缺口内部x x不为0，需

9、要增加y才能满足屈服条 件，所以，根部屈服后，应力分布如图。 2021-6-23中原工学院14 n当缺口内侧截面上局部当缺口内侧截面上局部 区域产生塑性变形后，区域产生塑性变形后， 最大应力已不在缺口根最大应力已不在缺口根 部，而在其内侧塑性区部，而在其内侧塑性区 边缘处。边缘处。 n随着塑性变形逐步向内随着塑性变形逐步向内 部转移，各应力峰值越部转移，各应力峰值越 来越大，它们的位置也来越大，它们的位置也 逐步移向中心，可以预逐步移向中心，可以预 料，试样中心区应力峰料，试样中心区应力峰 最大。最大。 2021-6-23中原工学院15 n由此可见，在存在缺口的条件下由 于出现了三向应力状态，

10、试样的屈 服应力比单向拉伸时高，产生了所 谓“缺口强化”现象。 n必须指出，“缺口强化”并不是 金属的内在性能发生变化，纯粹是由于三向拉伸应力 约束了塑性变形所致。因此，不能把“缺口强化”看 作是强化金属材料的手段。 n在有缺口时，塑性材料的抗拉强度也因塑性变形受约 束而增高了。 n虽然缺口提高了塑性材料的“强度”，但由于缺口约 束塑性变形，故使塑性降低，增加材料的变脆倾向。 n缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这是缺 口的第二个效应。 2021-6-23中原工学院16 二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能 n材料因存在缺口造成三向应力状态和应力 应变集中而变脆的倾向，称为缺口敏感性。 n材料不同

11、，缺口敏感性不同评价不同材 料的缺口敏感性，要进行缺口敏感性试验。 n常用的静载下缺口试样的力学性能试验方 法有缺口拉伸、缺口弯曲和缺口偏斜拉伸。 2021-6-23中原工学院17 1缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸 n试验时要注意对中问题 n由于缺口截面上应力应变分 布不均匀，所以试验结果分 散性很大，应取较多试样进 行试验。 2021-6-23中原工学院18 2021-6-23中原工学院19 偏斜拉伸偏斜拉伸 n垫圈的倾斜角a有0、4、8三 种 n通过更换不同角度的垫圈便可 完成不同角度的偏斜拉伸试验， 测定材料在不同倾斜角度下的 抗拉强度bN。 n缺口试样偏斜拉伸试验，因同 时存在拉伸和弯曲复

12、合作用， 故其应力状态更硬，这种方法 对于高强度螺栓等类零件的选 材和热处理工艺优化更为合适。 2021-6-23中原工学院20 2021-6-23中原工学院21 2 2缺口试样静弯曲缺口试样静弯曲 n一般采用尺寸为10 mm10 mm55 mm， 缺口深度为2 mm， 夹角为60的V型或U 型缺口试样。 n试验可在室温或低 温下进行，具体温 度视设计要求而定。 2021-6-23中原工学院22 n材料1在曲线上升 部分断裂，残余 挠度很小，表示 对缺口敏感；材 料2在曲线下降部 分断裂，残余挠 度较大，表示缺 口敏感度低；材 料3弯曲不断，表 示材料对缺口不 敏感 2021-6-23中原工学

13、院23 n某材料的缺口弯曲曲线，它反映了某材料的缺口弯曲曲线，它反映了 缺 口 试 样 变 形 和 断 裂 的 整 个 过缺 口 试 样 变 形 和 断 裂 的 整 个 过 程若将该负荷变形曲线所包围程若将该负荷变形曲线所包围 的面积分为三部分：弹性变形区的面积分为三部分：弹性变形区I I、 塑性变形区塑性变形区和断裂区和断裂区，则各区，则各区 所占面积分别为弹性功、塑性功和所占面积分别为弹性功、塑性功和 断裂功断裂功 n如果材料的试验曲线只有弹性功如果材料的试验曲线只有弹性功I I， 而没有塑性功而没有塑性功和断裂功和断裂功，表示，表示 材料对缺口极为敏感如果只有弹材料对缺口极为敏感如果只有弹 性功性功I I和塑性功和塑性功而无断裂功而无断裂功， 表示材料对缺口敏感，而且塑性功表示材料对缺口敏感，而且塑性功 越小，缺口敏感性越大如果越小，缺口敏感性越大如果3 3 种功都存在，表示材料对缺口不敏种功都存在，表示材料对缺口不敏 感，而且断裂功感，而且断裂功越大越好。越大越好。 2021-6