1、第二次世界大戰(zhàn)期間，美國在很短時間內趕造了4000艘船，其中250艘在19401951年間斷裂，另1200艘發(fā)現(xiàn)裂縫。1952年“Fort Macar”油輪斷裂，2年后，英國20000t油輪“World Conrad”也遭同樣厄運。裂紋大多起始于結構上處理不當?shù)慕宇^，再加上焊接缺陷，進一步深入分析，諸多問題均與“鋼材的脆性斷裂”有關，由此“抗沖擊韌性”便成了評定鋼材材質的一項基本指標。,6.1 前言 1、廣義的“切口” 切口的存在造成：應力應變集中和多向性。 二戰(zhàn)事故分析的結論： 脆斷鋼板，其夏比V型切口試件沖擊值AKV在10時低于15ft.lbf(20.34N.m)； 韌性鋼板，其AKV值在

2、10時高于15ft.lbf。,6.1 前言 (1)產(chǎn)生應力集中； (2)引起三向應力狀態(tài)，使材料脆化； (3)由應力集中帶來應變集中； (4)使缺口附近的應變速率增高。,應力集中的概念,等直桿軸向拉伸或壓縮時，橫截面上的正應力是均勻分布的。但由于實際需要，有些零件經(jīng)常有切口、切槽、油孔、螺紋、帶有過渡圓角的軸肩等，導致在這些部位上截面尺寸發(fā)生突然變化。實驗證明，在這些尺寸突然改變的橫截面上，應力并不均勻分布。如開有圓孔的拉桿，當其在靜荷載作用下，受軸向拉伸時，在圓孔附近的局部區(qū)域內，應力的數(shù)值急劇增加，而在較遠處又逐漸趨于平均。 這種因桿件截面形狀突然變化而產(chǎn)生的應力局部增大現(xiàn)象，稱為應力集中

3、。,開有圓孔的板條,帶有切口的板條,因桿件外形突然變化而引起局部應力急劇增大的現(xiàn)象，稱為應力集中,6.2 局部應力與局部應變,一受拉伸裁荷的薄板，其中的應力分布是均 勻的。若在板的中心鉆一圓孔，則在孔的周圍應力分布發(fā)生了很大的變化如圖6-1所示； 在孔的邊緣，拉應力最大，離孔邊越遠，應力越小。最后趨近于凈斷面平均應力，即名義應力n。,應力集中系數(shù) Kt 的定義： Kt=max/n。,2、切口強度：,用帶切口的拉伸試件測定其斷裂時的名義應力(凈斷面平均應力)， 記為bN，,3、切口敏感性,切口強度對抗拉強度的比值定義為切口強度比NSR： NSR=bNb 若NSR1.0，表示材料對切口不敏感，或者

4、說材料是切口韌性的； 若NSR1.0，則材料對切口敏感，材料是切口脆性的60。,圖6-1 受拉伸的中心圓孔扳,在靜荷載作用下，應力集中對于塑性材料的強度沒有什么影響。這是因為當應力集中處最大應力max到達屈服極限時，材料將發(fā)生塑性變形，應力不再增加。當外力繼續(xù)增加時，處在彈性變形的其他部分的應力繼續(xù)增大，直至整個截面上的應力都達到屈服極限時，桿件才達到極限狀態(tài)。由于材料的塑性具有緩和應力集中的作用，應力集中對塑性材料的強度影響就很小。而脆性材料由于沒有屈服階段，應力集中處的最大應力max隨荷載的增加而一直上升。當max達到b時，桿件就會在應力集中處產(chǎn)生裂紋，隨后在該處裂開而破壞。,6.3 切口

5、強度的實驗測定,切口強度通常用切口圓柱試件(見圖6-5(a)或雙切口平板試件(見圖6-5(b)，進行拉伸試驗予以測定。 切口幾何的三個主要參數(shù)為： 切口深度t、切口根部的曲率半徑、切口張角 切口強度：切口試件拉伸斷裂最大載荷，除以切口處的凈斷面積。 切口斷面收縮率，稱為切口塑性(Notch Ductility)。,圖6-5 切口試件與切口幾何,圖6-7 零件中的切口根部塑性區(qū)（1）和材料元（2）,圖6-7 零件中的切口根部塑性區(qū)（1）和材料元（2）,6.4 切口強度的估算,6.4.1 切口根部裂紋形成準則 切口零構件或試件的斷裂可能包含三個階段：在切口根部形成裂紋，形成于切口根裂紋的亞臨界擴展

6、，當裂紋達到臨界尺寸時發(fā)生斷裂。裂紋在切口根部形成，可以假定是由切口根部材料元的斷裂引起的，如圖6-7所示。,(1) 脆性材料-脆性材料遵循正應力斷裂準則。 Ktni=f (6-13) 式中ni為裂紋形成時切口試件所受的名義應力，或稱切口根部裂紋形成應力。,(2) 塑性材料 塑性材料遵循正應變斷裂準則。 Ktni=（Eff）1/2 (6-14) 公式(6-14）是塑性材料的切口根部裂紋起始準則 。 (Eff）1/2可以認為是工業(yè)金屬結構材料理論強度值的一種量度。 公式(6-14)的力學意義是：當切口根部虛擬的彈性應力Ktn達到理論斷裂強度時，則裂紋在切口根部形成。,在平面應變狀態(tài)下，切口根部裂

7、紋形成準則為 Ktni=0.64（Eff）1/2 (6-15),比較公式(6-14)和(6-15)，可以看出，平面應變狀態(tài)下切口根部裂紋形成應力，僅為平面應力狀態(tài)下的64。,切口敏感度系數(shù)：,切口強度比：,切口敏感度系數(shù)：,當 Kt1.0；當KtKbN，NSR1.0,沖擊載荷與靜載荷的主要在于加載速率不同； 加載速率佷高，而后者加載速率低。 加載速率用應力增長率=d/dt表示，單位為MPas。 變形速率有兩種表示方法：即絕對變形速率和相對速率。 絕對變形速率為單位時間內試件長度的增長率V=dl/dt， 單位為ms。 相對變形速率即應變速率，=d/dt，單位為s-1。,6.6 切口沖擊韌性,6.

8、6.1 沖擊載荷的特點,彈性變形以介質中的聲速傳播。而普通機械沖擊時的絕對變形速率在103ms以下。在彈性變形速率高于加載變形速率時，則加載速率對金屬的彈性性能沒有影響。 塑性變形發(fā)展緩慢，若加載速率較大，則塑性變形不能充分進行。 靜載: 受的應力取決于載荷和零件的最小斷面積。 沖擊載荷具有能量特性，與零件的斷面積、形狀和體積有關。,24,沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載速度（幅度和頻率） 應變率 =de/d e為真應變 靜拉伸試驗 =10-510-2 s-1 沖擊試驗 =102104 s-1 一般情況下 =10-410-2 s-1，可按靜載荷處理。,6.6.2 切口沖擊韌性的測定,常用的沖

9、擊試驗原理如圖6-9所示。,沖擊韌 性試驗機,6.6.2 切口沖擊韌性的測定,不含切口零件的沖擊：沖擊能為零件的整個體積均勻地吸收，從而應力和應變也是均勻分布的；零件體積愈大，單位體積吸收的能量愈小，零件所受的應力和應變也愈小。 含切口零件的沖擊：切口根部單位體積將吸收更多的能量，使局部應變和應變速率大為升高。,另一個特點是：承載系統(tǒng)中各零件的剛度都會影響到?jīng)_擊過程的持續(xù)時間、沖擊瞬間的速度和沖擊力大小。這些量均難以精確測定和計算。且有彈性和塑性。 因此，在力學性能試驗中，直接用能量定性地表示材料的力學性能特征；沖擊韌性即屬于這一類的力學性能。,試驗：質量m的擺錘，舉至高度H，勢能mgH1；

10、錘釋放，將試件沖斷。擺錘失去一部分能量，這部分能量就是沖斷試件所作的功，稱為沖擊功，以Ak表示。 剩余的能量使擺錘揚起高度H2，故剩余的能量即為mgH2。 Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2) (6-22) Ak的單位為Kgf.m或J。,圖6-9 擺錘沖擊試驗原理示意圖,切口為U型： 沖擊韌性值： aKU=Ak/An Ak -沖擊功， AN -凈斷面積。 V型切口：沖擊韌性值：aKV = AK /An 。,切口為U型： V型切口：,32,沖擊斷口 同樣也為 纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個區(qū)。 若試驗材料具有一定的韌性，可形成兩個纖維 區(qū)。 即： 纖維區(qū)放射區(qū)纖維區(qū)剪切唇。 裂紋快速擴展形成

11、 結晶區(qū)，到了壓縮區(qū)后， 應力狀態(tài)發(fā)生變化，裂 紋擴展速度再次減小。形成纖維區(qū)。,系列沖擊試驗,奧氏體鋼,低強度鐵素體鋼,高強度鋼,6.6.3 切口沖擊韌性的意義及應用,切口試什的斷裂可能經(jīng)歷三個階段：裂紋在切口根部形成，裂紋的亞臨界擴展和最終斷裂。 切口試件的沖擊斷裂可能要吸收三部分能量： 裂紋形成能、亞臨界擴展能、斷裂能。,評定原材料的冶金質量和熱加工后的半成品質量，通過測定沖擊韌性和斷口分析，可揭示原材料中夾渣、氣泡、偏析、嚴重分層等冶金缺陷和過熱、過燒、回火脆性等鍛造以及熱處理缺陷等；,具體用途有：,確定結構鋼的冷脆傾向及韌脆轉變溫度； 沖擊韌性反映著材料對一次和少數(shù)次大能量沖擊斷裂的

12、抗力，因而對某些在特殊條件下服役的零件，如彈殼、防彈甲板等，具有參考價值： 評定低合金高強鋼及其焊縫金屬的應變時效敏感性。,36,過程設備設計,韌性,臨界裂紋尺寸的大小主要取決于鋼的韌性。 如果鋼的韌性高，壓力容器所允許的臨界裂紋尺寸就越大，安全性也越高。,為防止發(fā)生脆性斷裂和裂紋快速擴展，壓力容器常選用韌性好的鋼材。,Akv：,夏比V型缺口沖擊吸收功Akv，能較好地反映材料的韌性，與斷裂韌性有較好的數(shù)值聯(lián)系，世界各國壓力容器規(guī)范標準都對Akv提出了要求。,材料從彈塑性變形到斷裂過程中吸收能量的能力。,韌性反映了材料對裂紋或缺口的敏感程度。,6.7 低溫脆性,金屬材料的強度一般均隨溫度的降低而

13、升高，而塑性則相反。,一些具有體心立方晶格的金屬，如Fe、 Mo和W，當溫度降低到某一溫度時，由于塑性降低到零而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這種現(xiàn)象稱為低溫脆性。,低溫脆性從現(xiàn)象上看，是屈服強度和斷裂強度隨溫度降低而變化的速率問題。 倘若屈服強度隨溫度的下降而升高較快，而斷裂強度升高較慢，則在某一溫度Tc以下，sf，金屬在沒有塑性變形的情況下發(fā)生斷裂，即表現(xiàn)為脆性的； 而在Tc以上，sf，金屬在斷裂前發(fā)生塑性變形，故表現(xiàn)為塑性的。,圖6-11 金屬的強度和塑性隨溫度的變化12,研究低溫脆性的主要問題是確定韌脆-轉化溫度。 實驗方法介紹：將試件冷卻到不同的溫度測定沖擊功AK，得到斷口形貌特征與溫度的關系曲線。

14、然后按一定的方法確定韌脆轉化溫度。 能量法：有下列幾種： (1)以V型切口沖擊試件測定的沖擊功AK=15 ft 1bf(20.3N M)對應的溫度作為韌脆轉化溫度，并記為V15TT。 實踐經(jīng)驗總結而提出的方法. (2)圖6-12中的曲線有兩個平臺。上平臺所對應的能量稱為高階能，下平臺所對應的能量稱為低階能。將低階能開始上升的溫度定義為韌-脆轉化溫度，記為NDT稱為零塑性溫度。在NDT以下，試件的斷口為100的結晶狀斷。,圖6-12 各種確定韌脆轉化溫度的方法及所確定的韌-脆轉化溫度,(4)高階能與低階能的平均值所對應的溫度定義為韌-脆轉化溫度，記為FTT(Fracture Transition

15、 Temperature),(3)將高階能開始降低的溫度定義為韌-脆轉化溫度。記為FTP ( Fracture Transition Plastic)當溫度高于FTP，試件的斷口為100的纖維狀斷口。,斷口形貌法 斷口上有纖維區(qū)、放射區(qū)(結晶區(qū))和剪切唇 在不同的溫度下,上述三個區(qū)的相對面積是不同的； 結晶區(qū)的面積隨溫度的變化，結晶區(qū)面積百分比的增大,表示材料變脆。通常取結晶狀斷口面積占50時的溫度為韌脆轉化溫度，記為50FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)。 在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應高于韌-脆轉化溫度。這是韌性的溫度儲備。韌性溫度儲