低温裂与疲劳

1、12.2 低温断裂与疲劳低温断裂与疲劳 低温致脆的最大特点是存在某一特定的温度范低温致脆的最大特点是存在某一特定的温度范围，在此温度范围以上的断裂是韧性断裂，不显示围，在此温度范围以上的断裂是韧性断裂，不显示脆性断裂的特征；低于此温度范围，为无韧性特征脆性断裂的特征；低于此温度范围，为无韧性特征的脆性断裂；在此特定温度范围内的断裂，则显示的脆性断裂；在此特定温度范围内的断裂，则显示韧韧-脆过渡形态，同时具有不同程度的韧性和脆性的脆过渡形态，同时具有不同程度的韧性和脆性的断裂特征。这种现象称为冷脆。断裂特征。这种现象称为冷脆。 而材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度而材料由韧性断裂转变为脆性断裂的

2、温度tk称称为韧为韧-脆转化温度，或冷脆转化温度。脆转化温度，或冷脆转化温度。 一、韧一、韧-脆转化理论脆转化理论 1、韧、韧-脆转化的物理本质脆转化的物理本质 2、stroh的韧的韧-脆转变温度理论脆转变温度理论 3、韧、韧-脆转化的脆转化的cottrell模型模型-petch屈服理论解释屈服理论解释 二、低温疲劳二、低温疲劳 一、韧一、韧-脆转化理论脆转化理论 1、韧、韧-脆转化的物理本质脆转化的物理本质 金属材料的韧金属材料的韧-脆转化过程脆转化过程 ： 图图12.14 f、 s、sk随随t、v和和 的变化的变化 /m 可见：解理断裂应力可见：解理断裂应力 f基本上不随温度变化，基本上不

3、随温度变化，而屈服点而屈服点 s和韧性断裂应力和韧性断裂应力sk则随温度升高而急则随温度升高而急剧降低并与剧降低并与 f曲线存在交点。曲线存在交点。 图中图中a点以下为无塑性变形的解理断裂，相点以下为无塑性变形的解理断裂，相当于夏比系列冲击试验的下平台。当于夏比系列冲击试验的下平台。a点对应的温点对应的温度即为韧度即为韧-脆转化温度脆转化温度tk。 b点以上为经过塑性变形的纤维撕裂，相当点以上为经过塑性变形的纤维撕裂，相当于夏比冲击试验曲线的上平台。于夏比冲击试验曲线的上平台。 ab之间为经过塑性变形之后的解理断裂，之间为经过塑性变形之后的解理断裂，为韧为韧-脆转化过程。脆转化过程。 一般用位

4、错的运动解释上述现象。一般用位错的运动解释上述现象。 2、stroh的韧的韧-脆转变温度理论脆转变温度理论 stroh的韧的韧-脆转变温度理论认为，金属中的脆转变温度理论认为，金属中的应力集中可能导致两种结果：应力集中可能导致两种结果： 其一是激活附近的其一是激活附近的f-r源产生韧性断裂；源产生韧性断裂； 其二是产生微裂纹导致脆性断裂。其二是产生微裂纹导致脆性断裂。 韧韧-脆转变就是这两种机制竞争的结果。脆转变就是这两种机制竞争的结果。 f-r源保持不被激活，发生脆断的几率表达式：源保持不被激活，发生脆断的几率表达式： 或或 式中：式中：p为某温度下，为某温度下，t时间内，位错不被激活而发时

5、间内，位错不被激活而发 生脆断的几率；生脆断的几率； 为位错振动频率；为位错振动频率； k为波耳兹曼常数；为波耳兹曼常数； u( )为激活被钉扎的为激活被钉扎的f-r源需要的激活能；源需要的激活能； t为材料所处的温度。为材料所处的温度。 / )(expexpktutpktutp/ )(ln)1ln(ln 可见：由于双对数的关系，随着温度可见：由于双对数的关系，随着温度t的的升高，升高，p值将很快从值将很快从1变到变到0，这就表明了韧，这就表明了韧-脆转变是发生在很狭窄的温度范围内脆转变是发生在很狭窄的温度范围内 。3、韧、韧-脆转化的脆转化的cottrell模型模型-petch屈服理论解释屈

6、服理论解释 根据根据cottrell模型，材料的屈服强度为模型，材料的屈服强度为 利用利用hal1-petch关系：关系： y= i+kyd-1/2 解理断裂时，解理断裂应力解理断裂时，解理断裂应力 f= y。而脆断的。而脆断的临界条件为临界条件为t=tk，则可以推导出，则可以推导出tk表达式：表达式： 212dkgsyy 式中：式中：tk为冷脆转化温度；为冷脆转化温度； d为晶粒平均直径；为晶粒平均直径； g为材料的切变模量；为材料的切变模量； 为材料的比表面能；为材料的比表面能； 为应力状态系数；为应力状态系数； 为为hall-petch关系式的斜率；关系式的斜率； 是是cottrell模

7、型中的系数；模型中的系数； b、c为常数，可通过试验确定。为常数，可通过试验确定。 可见，冷脆转化温度可见，冷脆转化温度tk主要取决于材料晶粒的大小主要取决于材料晶粒的大小d、比表面能、比表面能 和和应力状态应力状态 。此外还与系数。此外还与系数 、 和和b、c两个常数等因数有关。两个常数等因数有关。 温度降低和变形速度增加使温度降低和变形速度增加使 i和和ky增大，因而引起脆化。增大，因而引起脆化。 )/(ln211syysykkkgdbkctyksykyksyk二、低温疲劳二、低温疲劳 （1）温度降低，光滑试样的疲劳极限明显提高）温度降低，光滑试样的疲劳极限明显提高（2）材料在低温下的疲劳缺口系数增大）材料在低温下的疲劳缺口系数增大 结论：把常温下测得的疲劳强度用于低结论：把常温下测得的疲劳强度用于低温零件设计一般是安全的，但是材料在低温温零件设计一般是安全的，但是材料在低温下疲劳缺口敏感性提