第五章缺口顶端应力、应变分析说课材料.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章缺口顶端应力、应变分析,由此推广：,晶界、夹杂、组织不均匀处、粗大第二相、微裂纹及螺纹、尖角、倒角、台阶半径过小处，均有类似改变应力状态的,缺口效应,；,温度的下降或形变速率的增加也有不利塑变的作用，也可导致,缺口效应,。,缺口改变了应力状态，如：应力集中；由应力集中导致应变集中；形成双向或三向应力状态，导致缺口附近屈服强度提高，塑性变形困难，使材料脆化；缺口附近的应变速率增高。统称为缺口效应，导致力学性能的改变。,5,-,2,缺口顶端应力、应变分析,1,）薄 板,X,Y,Z,无缺口时,，整个截面上应力均匀分布。,应力集中和应变集中现象,1,弹性状态下的应力分布,有缺口时,，缺口处不能承受外力，这部分外力由近缺口处材料来承担，因而缺口根部应力最大，离开缺口根部应力逐渐减小，一直到某一恒定值。,（如图所示）,这用由于缺口造成的局部应力增大的现象称为,应力集中,。,应力集中系数：,max,为缺口根部缺口根部的最大应力,n,为净截面上的名义应力。在弹性范围内，,K,t,的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。对给定的缺口形状，可通过公式计算或有图表可查。,机械工程手册,是怎样产生的？,薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图,会引起纵向伸长，必然引起横向收缩。由于缺口使 随,x,发生变化，从大到小到恒定，引起的纵向伸长也由大到小，如果从缺口根部把薄 板分成许多微元，微元的纵向伸长沿,x,方向由大 到小，这种变形不均匀使微元之间存在相互制约在,x,方向产生内应力,由于板很薄，,z,向收缩变形不受限制，薄板的这种受力状态称为平面应力状态：,在,x=0,处的微元可自由伸长,，；,在远离缺口处,恒定,，,也为,0,，,必有一极大值，在变形梯度较大的缺口附近处。所以缺口薄板受拉伸时，产生了双向应力。,的大小在 与 之间,。,2,）厚板,(,板的厚度相对于缺口或裂纹深度足够大,),由于板很厚，在厚度方向上的变形受到约束 产生,，。,因为,，,根据胡克定律,厚板的这种受力状态称为,平面应变状态。,厚板缺口拉伸时，弹性状态下的应力分布图,(a),沿,x,方向的应力分布,(b),沿,z,方向的应力分布,当缺口根部发生塑性,变形后，,的最大值都不在根部，而,是移动到弹塑性变形的交,界处。,（如图所示）,缺口根部发生塑性变形的应力分布图（平面应变）,2,塑性状态下的应力分布,根据屈雷斯加判据,缺口根部,，,是,两向应力状态；,缺口内侧,，,是三向应力状态,。,结果使材料塑性变形变得困难，材料脆化,。,对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，这种现象称之为“,缺口强化,”。,试验机夹头速率：,v=dl/dt,试样应变速率：,=d,/dt,，,d,=dl/l,=d,/dt=dl/l/dt=dl/dt1/l=v/l,缺口处应变速率提高现象,如果光滑试样的工作长度,l,为,100mm,，缺口附近的工作长度,l,=1mm,，缺口附近的应变速率,提高了两个数量级。,缺口带来的危害（缺口效应）：,应力集中；应变集中；应变速率提高；引起两向或三向应力状态，使塑变困难，材料脆化。,5,-,3,缺口试样静载力学性能,一、缺口试样的静拉伸和静弯曲性能,1,缺口试样的静拉伸,与光滑试样拉伸时比较，缺口引起了加载的变化,-,缺口效应,不同材料缺口效应不同，,为了比较各种材料的缺口敏感程度,，常进行缺口静拉伸试验。,缺口静拉伸试验的目的，常用于评定高强度螺栓等零件的性能。,图中,(a),、,(b),分别表示用于缺口静拉伸试验的圆形截面试样和矩形截面试样。,(c),表示代表缺口形状的,3,个主要参数：,为缺口深度，,为缺口角，,为缺口曲率半径。,试验过程：,材料在进行缺口拉伸试验时，,断裂情况有三种：,（,1,）材料在制成缺口试样进行拉伸时，缺口根部只有弹性变形而失去了塑性变形能力，这时缺口截面上的应力分布如图中的曲线,1,所示。,缺口试样变形时应力分布情况图,脆断，断口为放射状，拉伸曲线为直线,；,断口形貌如图,(a),所示。,(2),在缺口根部可发生少量塑性变形，这时最大轴向应力,max,已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处，如图的曲线,2,、,3,所示。,缺口试样变形时应力分布情况图,根部有微小塑性区，然后断裂，断口在缺口根部有一圈塑性断口，中部为放射状，拉伸曲线由直线开始改变，斜率微小下降；,断口形貌如图,(b),所示。,缺口试样变形时应力分布情况图,(3),如果材料的断裂抗力远高于屈服强度，则随着载荷的增加。塑性区可以不断向试样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力,max,也相应地不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此时,max,出现在试样中心位置，如右图中曲线,6,所示。,断口为全部塑性特征，拉伸曲线上出现曲线部分,。,断口形貌如图,(c),所示。,此时，,bn,b,用缺口强度比,NSR,（缺口拉伸强度比光滑试样静拉伸强度）作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标。,NSR,与缺口敏感性成反比：,比值越大，缺口敏感性越小。,材料缺口敏感度影响因素,材料缺口敏感性除与材料本身性能、应力状态,(,加载方式,),有关外，还与缺口形状、尺寸、试验温度有关。,缺口拉伸试样的标准,缺口张角,45,0,60,0,；,缺口根部截面直径,10mmd,n,20mm,；,缺口根部曲率半径,0.1mm,；,（,d,0,2,-d,n,2,)/d,0,2,50%,无偏斜的缺口拉伸试验，往往显示不出组织与合金元素的影响。缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。,2,缺口试样的偏斜拉伸,3,缺口试样静弯曲,光滑试样的静弯曲试验的目的：,评定工具钢或脆性材料（陶瓷等）的力学性能。,缺口静弯曲试验的目的：,评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。,试样尺寸：,10660mm,或者,101055mm,，,缺口深度为,2mm,，夹角为,60,o,的,V,型或,U,型缺口。,静弯试验请看,动画演示,。,试验结果：,缺口静弯曲线,P,f,曲线图,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，材料对缺口不敏感。,材料,1,材料,2,材料,3,I,弹性变形部分，弹性功,II,塑性变形部分，塑性功,III,断裂部分，断裂功,III,代表当裂纹产生后，材料阻碍裂纹继续扩展的能力，通常以,Pmax/P,的大小来表示裂纹敏感度。,缺口静弯曲线与静拉伸曲线相似，也分为三个阶 段：,曲线只有,I,表示材料对缺口极为敏感（脆化）；,曲线只有,I,II,表示材料对缺口敏感；,曲线有,I,II,III,表示材料对缺口不敏感，,III,区越大，缺口敏感性越小。,（定性分析）,（定量分析用材料的断裂韧性）,5,-3,缺口试样在冲击载荷下的力学性能,一、冲击载荷,弹性力学行为以声速传播，一般的冲击载荷的加载及变形速度均远小于声速，故冲击载荷对弹性力学形为无影响；,塑性变形的传播速度取决于位错的运动速度及增殖速度，在冲击载荷下，塑性变形来不及充分、均匀地进行；,实验也证明：冲击载荷下塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均匀；,冲击载荷的作用持续时间短，其应力状态不易准确及时地测量（有示波冲击试验机可作，但也不稳定，数据波动大，分散性大，且试验设备昂贵）。,冲击载荷下一般只测定试样在变形的各阶段或总阶段所吸收的能量。,二、缺口冲击试验：,试样：101055(,mm)；,开有2,mm,深的,U,形或,V,形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。,U,型缺口,冲击试验原理：能量原则摆锤冲断试样前后所产生的,能量损失,A,K,(J),；,A,K,=mg(H,1,-H,2,),K,=A,K,/F,F=810(mm,2,),缺口冲击试验断口：,试样：101055(,mm)；,开有2,mm,深的,U,形或,V,形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。,冲击试验原理：能量原则摆锤冲断试样前后所产生的,能量损失,A,K,(J),；,A,K,=mg(H,1,-H,2,),K,=A,K,/F,F=810(mm,2,),三、,冲击韧性,K,值,:,材料在受到冲击载荷的作用下发生断裂时所吸收的能量总和。,冲击韧性,K,值：,为综合性的力学性能指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力大小。理论上常用,A,K,代替,K,K,值,：任何能提高材料的强度而不降低塑性、或提高塑性而不降低强度的因素均可以提高材料的,K,值,。,它表征了材料在不断裂情况下能够承受的最大冲击能量，综合了强度与塑性两方面的影响，并且对材料的组织缺陷非常敏感，特别适于生产中的质量管理控制。,K,值,常用于评定材料的韧、脆性品质，是钢材由钢厂出厂时必须达到的力学性能指标(,S,b,K,K,)；,在设计中作为保证受冲击构件的安全性的主要指标使用。,但理论界认为,K,值对材料的韧性的描述和意义有很大的局限性和不准确性。,理论界认为：,1.,K,值无明确的物理意义：,A,K,有明确物理意义：为冲断试样所消耗的总功（试样断裂所吸收的总能量）。但该能量在试样横载面上的消耗和分布是极不均匀的，绝大多数被吸收在缺口附近，故,A,K,/F,仅为数学值，无物理意义；,A,K,所包含也不仅为试样断裂分离时所吸收，还有相当一部分转变成了热能，但这部分热能在工程构件受实际的冲击并致断裂时也会产生，不能想办法完全地将其消除；,但,A,K,值与,F,也有关系，且无法排除,F,对其影响，只得仍以,A,K,/F,来近似消除。,三、冲击韧性：,2.,A,K,值相同时材料，其韧性也不一定相同：,示波冲击：载荷时间（或挠度）曲线：,A,K,则分为三个部分，,A,、A,、A,；,其中,A,为弹性功，只有,A,与,A,（,尤其是,A,）,的大小才真正表示了材料的断裂的韧脆状态，但,A,K,值高并不一定,A,、A,也高；,后有人提出以,A,或,A,+A,来表达材料的冲击韧性(记为：,Ap)，,然而却给不出其简便的测试方法；且完全地排除弹性变形功,A,对材料抗冲击破坏的贡献，也有不合理的地方，且在工程上的应用也不现实。,因此尽管理论界认为,K,值对材料的韧性的描述和意义有很大的局限性和不准确性，但又提不出一个理论意义明确的且测试方法简便易行的指标来代替之。在生产实践中只得继续使用,K,值，显示了,K,值强大的生命力。,而,K,值的生命力体现在其工程应用上：,1.长期的广泛应用，积累了大量的经验数据资料，这些数据资料非常实用且有效；,2.检测简便易行，检测设备价格低廉；,3.对材料内部的组织缺陷，对材料的品质、宏观缺陷、材料显微组织的变化非常敏感；,4.生产实践证明：作为控制和检验冶炼、热加工(锻、轧、焊、热处理)质量的力学性能指标非常有效。,评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷:,-冲击韧性,K,值,对其非常敏感,1.夹杂（渣）、气泡、带状偏析；,2.过热、过烧、氧化、脱碳、网状组织、粗大碳化物、白点、回火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压力加工后组织的各向异性等等等等；,对组织缺陷：,K,最为敏感；塑性指标,、,K,敏感，强度指标,b,、,S,较为敏感；而弹性模量,E,对组织不敏感。试验要求：试样合理的缺口型式，使材料处于半脆性状态内进行，而对一般钢材，梅氏试样可满足该要求（该要求提高了试验的敏感性）。,四、冲击韧性,K,值的应用：,评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：,系列冲击试验,1.,低温系列温度冲击试验,：-测定评价材料的,冷脆转变,成份、热处理及压力加工工艺完全相同的试样分组分别在不同的温度,T,下进行冲击韧性,K,值的测试：测试温度范围由-60(或-80)+40，测出每组的,K,值(平均)，作出其,K,T,变化关系曲线，称为系列冲击曲线。,可由曲线得到,冷脆转变温度,FATT,（,断口有50%脆断区或结晶断裂区）或,T,K,T,K,对应着,K,值=15英尺.磅(=20.3,N.M),时的温度值。,2.,回火系列温度冲击试验,：-测定评价材料的,回火脆性,同一成分及状态的试样，经淬火处理后分别在一系列不同的温度,T,下回火，再在常温进行冲击韧性,K,值的测试：作出其,K,与回火,T,的变化关系曲线，称为回火系列温度冲击曲线，找到其相应的回火脆性的温度范围。,回火脆性：分低温回火脆、高温回火脆、再结晶回火脆（回火加热温度:,A,1,A,3,，,有两相混合组织，各占50%时,K,最低）。,确定应变时效的时间敏感性；,作为受大能量冲击的构件的材料的设计指标：,一般地要求：,T=4.4,时，,A,K,15,英尺.磅(20.3,N.m)，,如,A,K,10J,时，材料易于脆断。,5.5,低温脆性 及其评定,一、低温脆性现象,体心立方金属及合金、某些密排六方金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度,T,k,时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即,低温脆性,，转变温度,T,k,称为,韧脆转变温度,，亦称冷脆转变温度。,实际上由于材料化学成分的统计性，韧脆转变温度不是一个温度，而是一个温度区间。,左面的试样取自海底的,Titanic,号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的,Titanic,号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。在,2,的海水中，泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸收能仅有,4,焦耳。同样温度下，现代钢板纵向试验中吸收能为,325,焦耳，横向试验中吸收能为,100,焦耳。,下图是建造中的,Titanic,号。,Gannon,的文章指出，在水线上下都由,10,张,30,英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成,300,英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条,300,英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。,二、韧脆转变的物理本质,断裂强度,c,随温度的变化较小，而屈服强度,s,对温度十分敏感，随温度降低，屈服强度升高，两者的交点,t,k,即为韧脆转变温度。,T,T,k,c,s,先屈服再断裂,韧性断裂,T,T,k,c,s,先达到,c,脆性断裂,三、系列温度冲击试验,评定材料低温脆性的最简便的试验方法是系列温度冲击试验。该试验采用标准夏比冲击试样，在从高温（通常为室温）到低温的一系列温度下进行冲击试验，测定材料冲击功随温度的变化规律，揭示材料的低温脆性倾向。,四、韧脆转变温度的评定,1,、能量准则,以低阶能开始上升的温度定义为,T,k,，记为,NDT,，称无塑性或零塑性转变温度。无预先塑性变形断裂对应的温度，最易确定,T,k,的准则。在,NDT,以下，断口由,100%,结晶区组成。以高阶能对应的温度定义为,T,k,，记为,FTP,。最保守的定义,T,k,的方法。在,FTP,以上，,100%,纤维状断口。以低阶能和高阶能的平均值对应的温度定义,T,k,，记为,FTE,。,2,、断口形貌准则,温度下降，纤维区面积突然减小，结晶区面积突然增大。,FATT,50,冲击试样断口中结晶区面积占整个断口面积,50,时所对应的温度作为脆性转变温度,t,k,，亦可记为,50,FATT,或,t,50,。,评定方法按,GB/T12778-91,金属夏比冲击断口测定方法,，测量时剪切唇按纤维区处理。,断口形貌准则主要用于正火或调质状态钢材的评定。,3,、断口变形特征准则,试样冲断时，缺口根部收缩，试样背面膨胀，规定用试样背面膨胀量达,0.38mm,时所对应的温度，作为脆性转变温度。,五、韧脆转变温度的意义,T,k,是金属材料的韧性指标，它反映了温度对韧脆性的影响。,T,k,是安全性指标，可用于抗脆断设计，保证机件服役安全。,T,k,是估计低温服役机件最低使用温度的依据，选用的材料应具有一定韧性温度储备。,韧性温度储备：,T,0,T,k,T,0,使用温度,一般,取,40,60,，重要机件取,60,，非重要机件取,20,，中间取,40,。,几种钢的脆性转变温度,材料,s,/Mpa,20J,准则,0.38mm,准则,50FATT,准则,热轧,C-Mn,钢,210,27,17,46,热轧低合金钢,385,24,22,12,淬火回火钢,618,71,67,54,T,k,与定义方法、外界因素等有关。按上述三种准则确定的脆性转变温度并不等效，从表中几种钢的脆性转变温度，可以看出，,20J,准则与,0.38mm,准则比较接近。,由此可见，脆性转变温度是相对的，只有按同一准则确定的脆性转变温度才有可比性。此外，在一定条件下用试样测定的脆性转变温度与实际结构或零件的脆性转变温度是不同的。所以对于大型结构的脆性评定，应发展更接近实际工况条件的试验方法。,六、落锤试验,普通冲击弯曲试验试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。为了克服这一困难，,Pellini,等人提出了落锤试验方法。,落锤试验法：用于测定全厚钢板的,NDT,，作为评定材料,的脆性转变温度。试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸：,25*90*350mm,19*50*125mm,16*50*125mm,试验中随试样温度下降，其力学行为发生如下变化：,不裂拉伸侧表面部分形成裂纹但未发展到边缘拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边试样断成两部分,一般规定裂纹能扩展到试样一侧边或两侧边的最高温度为无塑性转变温度,NDT,，其含义实际是钢板弹性开裂的最高温度，当,TNDT,时，含有大裂纹的试板不会碎裂。,落锤试验的不足是：对脆断不能给予定量评定，因为试验采用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需研究，此外，板厚的影响亦未考虑。,断裂分析图,通过落锤试验求得的,NDT,可以建立断裂分析图,(FAD),，它是表示许用应力、缺陷和温度之间关系的综合图，明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。,应用：,断裂分析图为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供依 据；可用来分析脆性断裂事故。,不足：,未考虑加载速度和板厚的影响（,25mm,低强度钢建立）,防断裂设计参考判据,在落锤试验测得的,NDT,和大量同类试验的基础上，,Pellini,等提出了对低强度铁素体钢,NDT,的应用，建议了四个防断裂设计参考判据：,1,、,T,工作,NDT,，,由于,NDT,表示小裂纹可作为裂源引起脆裂的临界温度。工作温度要求在,NDT,以上，允许的应力水平限制在,35,56 Mpa,。,2,、,T,工作,NDT,17,，,允许,工作,s,/2,，意即名义应力低于,s,/2,，且温度高于,NDT,17,时，裂纹不会扩展，该参考判据提供了,s,/2,时的止裂温度界限。,3,、,T,工作,NDT,33,，,允许,工作,s,，意即名义应力低于,s,时，裂纹可在弹性区内扩展的最高温度为,NDT,33,，该临界温度称为弹性开裂转变温度,(FTE),，当,T,FTE,时，只发生塑性撕裂。因此,FTE,是应力等于,s,时脆性裂纹止裂温度。,4,、,T,工作,NDT,67,，,工作,达到,b,发生韧性断裂。该温度称为塑性开裂转变温度,(FTP),，当,T,FTP,时，断裂应力达到材料极限强度，当,T,FTP,时，裂纹可在塑性范围扩展，断裂应力在,s,和,b,之间。,5.6,冶金因素对低温脆性的影响,一、冶金因素,1,、,化学成分的影响,2,、,晶体结构的影响,3,、显微组织,a.,晶粒尺寸,b.,金相组织,化学成分的影响,1,）间隙溶质元素韧性 韧脆转变温度,2,）置换型溶质元素对韧性的影响不明显，,钢中加入置换型溶质元素一般也提高韧脆转变温度。（,Ni,减小，提高低温韧性）,3,）杂质元素,S,、,P,、,As,、,Sn,、,Sb,等使钢的韧性下降,以碳钢为例：,C,韧脆转变温度；,Mn,韧脆转变温度，对船体钢来说，关键要看,Mn/C,比，只有当,Mn/C3,时，船体钢才有比较满意的韧脆转变温度。,晶体结构的影响,体心立方金属及其合金存在低温韧性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，都有明显的低温脆性。,晶粒尺寸的影响,细化晶粒可使材料韧性增加。铁素体晶粒直径与韧脆转变温度的关系可用派奇方程描述：,其中，,、,B,、,C,为常数，,d,为铁素体晶粒直径派奇方程同样适用于低碳铁素体珠光体钢，低合金高强度钢。减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高材料韧性。,金相组织的影响,1,）对低强度钢：按,T,k,由高到低的顺序：珠光体上贝氏体铁素体下贝氏体回火马氏体,2,）对中碳合金钢且强度相同，,T,k,：下贝氏体回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织回火马氏体,3,）低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织单一马氏体或单一贝氏体,4,）马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善钢的韧性 钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。第二相尺寸增大，材料韧性下降，韧脆转变温度升高。,作业,1.,阐述韧脆转变的物理本质。,2.,解释名词：低温脆性；冲击韧性。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,