1、第五章 缺口試樣的力學性能 商洛學院 常亮亮5 5-1 -1 缺口效應缺口效應一、缺口及缺口效應：一、缺口及缺口效應：缺口缺口：一般指試樣或工件的截面急劇變化處；鍵槽、油孔一般指試樣或工件的截面急劇變化處；鍵槽、油孔 、臺階、臺階、螺紋螺紋缺口效應缺口效應：在缺口處由于缺口的存在，影響了應力的分布狀態，使在缺口處由于缺口的存在，影響了應力的分布狀態，使之出現：之出現：應力狀態變硬應力狀態變硬( (由單向拉應力變為三向拉應力由單向拉應力變為三向拉應力) )；產生應力集中。產生應力集中。促發裂紋的生成與擴展，不利于材料的塑變促發裂紋的生成與擴展，不利于材料的塑變( (位錯運動位錯運動) )，使材料

2、在，使材料在該處處于脆性狀態該處處于脆性狀態( (即使該材料為塑性材料即使該材料為塑性材料) )，易于發生脆性斷裂；，易于發生脆性斷裂；此應力分布狀態的改變，即為此應力分布狀態的改變，即為缺口效應缺口效應。由此推廣：由此推廣：晶界、夾雜、組織不均勻處、粗大第二相、微裂紋及晶界、夾雜、組織不均勻處、粗大第二相、微裂紋及螺紋、尖角、倒角、臺階半徑過小處，均有類似改變螺紋、尖角、倒角、臺階半徑過小處，均有類似改變應力狀態的應力狀態的缺口效應缺口效應；溫度的下降或形變速率的增加也有不利塑變的作用，溫度的下降或形變速率的增加也有不利塑變的作用，也可導致也可導致缺口效應缺口效應。缺口改變了應力狀態，如：應

3、力集中；由應力集中導致應變集中；形成雙向或三向應力狀態，導致缺口附近屈服強度提高，塑性變形困難，使材料脆化 ；缺口附近的應變速率增高 。統稱為缺口效應，導致力學性能的改變。5 5- -2 2 缺口頂端應力、應變分析缺口頂端應力、應變分析1 1）薄）薄 板板 ynxz0外XYZ無缺口時，整個截面上應力均勻分布。應力集中和應變集中現象1 彈性狀態下的應力分布q有缺口時，缺口處不能承受外力，這部分外力由近缺口處材料來承擔，因而缺口根部應力最大，離開缺口根部應力逐漸減小，一直到某一恒定值。（如圖所示）n這用由于缺口造成的局部應力增大的現象稱為應力集中。應力集中系數：max為缺口根部缺口根部的最大應力,

4、n為凈截面上的名義應力。在彈性范圍內，Kt的數值決定于缺口的幾何形狀與尺寸。對給定的缺口形狀，可通過公式計算或有圖表可查。機械工程手冊ntKmaxx是怎樣產生的？薄板缺口拉伸時彈性狀態下的應力分布圖q 會引起縱向伸長，必然引起橫向收縮。由于缺口使 隨x發生變化，從大到小到恒定，引起的縱向伸長也由大到小，如果從缺口根部把薄 板分成許多微元，微元的縱向伸長沿x方向由大 到小，這種變形不均勻使微元之間存在相互制約在x方向產生內應力 yxyq 由于板很薄，z向收縮變形不受限制，薄板的這種受力狀態稱為平面應力狀態： 0z000zyx在x=0處的微元可自由伸長， ；在遠離缺口處 恒定， 也為0， 必有一極

5、大值，在變形梯度較大的缺口附近處。所以缺口薄板受拉伸時，產生了雙向應力。0 xyxx的大小在 與 之間。2）厚板 (板的厚度相對于缺口或裂紋深度足夠大)由于板很厚 ， 在 厚 度 方 向 上 的 變 形 受 到 約 束 產生 ， 。 因為 ，根據胡克定律 000zyx0z0yxzzyz厚板的這種受力狀態稱為平面應變狀態。x厚板缺口拉伸時，彈性狀態下的應力分布圖(a)沿x方向的應力分布 (b)沿z方向的應力分布當缺口根部發生塑性變形后， ， ， 的最大值都不在根部，而是移動到彈塑性變形的交界處。（如圖所示）zyx缺口根部發生塑性變形的應力分布圖（平面應變）2 塑性狀態下的應力分布q根據屈雷斯加判

6、據 缺口根部 ， ，是兩向應力狀態； 缺口內側 ，是三向應力狀態。 結果使材料塑性變形變得困難，材料脆化。0 xsyxsy對塑性好的材料，缺口使材料的屈服強度或抗拉強度升高，但塑性降低，這種現象稱之為“缺口強化”。0 x試驗機夾頭速率：v = dl/dt試樣應變速率： = d/dt，d = dl/l = d/dt = dl/l/dt = dl/dt1/l = v/l缺口處應變速率提高現象如果光滑試樣的工作長度l為100mm，缺口附近的工作長度l=1mm，缺口附近的應變速率提高了兩個數量級。q缺口帶來的危害（缺口效應）： 應力集中；應變集中；應變速率提高；引起兩向或三向應力狀態，使塑變困難，材料

7、脆化。 5 5- -3 3缺口試樣靜載力學性能缺口試樣靜載力學性能一、缺口試樣的靜拉伸和靜彎曲性能1 缺口試樣的靜拉伸 與光滑試樣拉伸時比較，缺口引起了加載的變化-缺口效應 不同材料缺口效應不同，為了比較各種材料的缺口敏感程度，常進行缺口靜拉伸試驗。 缺口靜拉伸試驗的目的，常用于評定高強度螺栓等零件的性能。圖中(a)、(b)分別表示用于缺口靜拉伸試驗的圓形截面試樣和矩形截面試樣。(c)表示代表缺口形狀的3個主要參數：為缺口深度，為缺口角，為缺口曲率半徑。 q試驗過程：材料在進行缺口拉伸試驗時，斷裂情況有三種：（1）材料在制成缺口試樣進行拉伸時，缺口根部只有彈性變形而失去了塑性變形能力，這時缺口

8、截面上的應力分布如圖中的曲線1所示。 缺口試樣變形時應力分布情況圖n脆斷， 斷口為放射狀，拉伸曲線為直線；斷口形貌如圖(a)所示。 (2)在缺口根部可發生少量塑性變形，這時最大軸向應力max已不在缺口頂端的表面處，而是位于塑性變形區和彈性區的交界處，如圖的曲線2、3所示。缺口試樣變形時應力分布情況圖根部有微小塑性區，然后斷裂，斷口在缺口根部有一圈塑性斷口，中部為放射狀，拉伸曲線由直線開始改變，斜率微小下降；斷口形貌如圖 (b)所示。缺口試樣變形時應力分布情況圖(3)如果材料的斷裂抗力遠高于屈服強度，則隨著載荷的增加。塑性區可以不斷向試樣中心擴展，位于彈塑性交界處的最大軸向應力max也相應地不斷

9、向中心移動，如塑性變形能擴展到試樣中心，即出現沿缺口截面的全面屈服。此時max出現在試樣中心位置，如右圖中曲線6所示。n斷口為全部塑性特征，拉伸曲線上出現曲線部分。斷口形貌如圖 (c)所示。 此時，bnb 用缺口強度比NSR（缺口拉伸強度比光滑試樣靜拉伸強度）作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標。 NSR與缺口敏感性成反比：bbNeqNSR比值越大，缺口敏感性越小。材料缺口敏感度影響因素 材料缺口敏感性除與材料本身性能、應力狀態(加載方式)有關外，還與缺口形狀、尺寸、試驗溫度有關。缺口拉伸試樣的標準缺口張角450600；缺口根部截面直徑10mmdn20mm；缺口根部曲率半徑 0.1mm；（d02-d

10、n2)/d0250% 無偏斜的缺口拉伸試驗，往往顯示不出組織與合金元素的影響。缺口偏斜拉伸試驗就是在更苛刻的應力狀態和試驗條件下，來檢驗與對比不同材料或不同工藝所表現出的性能差異。 2 缺口試樣的偏斜拉伸3 缺口試樣靜彎曲光滑試樣的靜彎曲試驗的目的：評定工具鋼或脆性材料（陶瓷等）的力學性能。缺口靜彎曲試驗的目的：評定或比較結構鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。試樣尺寸：10660mm或者101055mm，缺口深度為2mm，夾角為60o的V型或U型缺口。靜彎試驗請看動畫演示。 試驗結果：缺口靜彎曲線Pf曲線圖材料1在曲線上升部分斷裂，殘余撓度很小，表示對缺口敏感；材料2在曲線下降部分斷裂，殘余撓度較大

11、，表示缺口敏感度低；材料3彎曲不斷，材料對缺口不敏感。材料1材料2材料3I 彈性變形部分，彈性功II 塑性變形部分，塑性功III斷裂部分，斷裂功III代表當裂紋產生后，材料阻礙裂紋繼續擴展的能力，通常以Pmax/P的大小來表示裂紋敏感度。q缺口靜彎曲線與靜拉伸曲線相似，也分為三個階 段：n曲線只有 I 表示材料對缺口極為敏感（脆化）；n曲線只有III表示材料對缺口敏感；n曲線有IIIIII表示材料對缺口不敏感，III區越大，缺口敏感性越小。（定性分析）（定量分析用材料的斷裂韌性） 5 5- 3 - 3 缺口試樣在沖擊載荷下的力學性能缺口試樣在沖擊載荷下的力學性能 一、沖擊載荷一、沖擊載荷 彈性

12、力學行為以聲速傳播，一般的沖擊載荷的加載及變形速度均遠小于聲速，故沖擊載荷對彈性力學形為無影響； 塑性變形的傳播速度取決于位錯的運動速度及增殖速度，在沖擊載荷下，塑性變形來不及充分、均勻地進行； 實驗也證明：沖擊載荷下塑性變形集中于某些局部區域，分布極不均勻；沖擊載荷的作用持續時間短，其應力狀態不易準確及時地測量（有示波沖擊試驗機可作，但也不穩定，數據波動大，分散性大，且試驗設備昂貴）。沖擊載荷下一般只測定試樣在變形的各階段或總階段所吸收的能量。二、缺口沖擊試驗：二、缺口沖擊試驗：試樣：101055(mm)；開有2mm深的U形或V形缺口，分別稱為梅氏試樣或夏氏試樣，特脆材料可不開缺口。U型缺口

13、沖擊試驗原理：能量原則擺錘沖斷試樣前后所產生的能量損失AK (J) ； AK=mg(H1-H2) K = AK/F F = 810(mm2) 缺口沖擊試驗斷口：缺口沖擊試驗斷口：試樣：101055(mm)；開有2mm深的U形或V形缺口，分別稱為梅氏試樣或夏氏試樣，特脆材料可不開缺口。沖擊試驗原理：能量原則擺錘沖斷試樣前后所產生的能量損失AK (J) ； AK=mg(H1-H2) K = AK/F F = 810(mm2)三、沖擊韌性K值: 材料在受到沖擊載荷的作用下發生斷裂時所吸收的能量總和。沖擊韌性K值：為綜合性的力學性能指標，表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力大小。理論上常用AK代替KK值：任

14、何能提高材料的強度而不降低塑性、或提高塑性而不降低強度的因素均可以提高材料的K值。它表征了材料在不斷裂情況下能夠承受的最大沖擊能量，綜合了強度與塑性兩方面的影響，并且對材料的組織缺陷非常敏感，特別適于生產中的質量管理控制。 K值常用于評定材料的韌、脆性品質，是鋼材由鋼廠出廠時必須達到的力學性能指標(S,b,K,K)；在設計中作為保證受沖擊構件的安全性的主要指標使用。但理論界認為K值對材料的韌性的描述和意義有很大的局限性和不準確性。理論界認為：1. K值無明確的物理意義：AK有明確物理意義：為沖斷試樣所消耗的總功（試樣斷裂所吸收的總能量）。但該能量在試樣橫載面上的消耗和分布是極不均勻的，絕大多數

15、被吸收在缺口附近，故AK/F 僅為數學值，無物理意義；AK所包含也不僅為試樣斷裂分離時所吸收，還有相當一部分轉變成了熱能，但這部分熱能在工程構件受實際的沖擊并致斷裂時也會產生，不能想辦法完全地將其消除；但AK值與F也有關系，且無法排除F對其影響，只得仍以AK/F來近似消除。三、沖擊韌性：三、沖擊韌性：2. AK值相同時材料，其韌性也不一定相同： 示波沖擊：載荷時間（或撓度）曲線：AK則分為三個部分，A、A、A；其中A為彈性功，只有A與A（尤其是A）的大小才真正表示了材料的斷裂的韌脆狀態，但AK值高并不一定A、A也高； 后有人提出以A或A+A來表達材料的沖擊韌性(記為：Ap)，然而卻給不出其簡便

16、的測試方法；且完全地排除彈性變形功A對材料抗沖擊破壞的貢獻，也有不合理的地方，且在工程上的應用也不現實。因此盡管理論界認為K值對材料的韌性的描述和意義有很大的局限性和不準確性，但又提不出一個理論意義明確的且測試方法簡便易行的指標來代替之。在生產實踐中只得繼續使用K值，顯示了K值強大的生命力。而K值的生命力體現在其工程應用上：1. 長期的廣泛應用，積累了大量的經驗數據資料，這些數據資料非常實用且有效；2. 檢測簡便易行，檢測設備價格低廉；3. 對材料內部的組織缺陷，對材料的品質、宏觀缺陷、材料顯微組織的變化非常敏感；4. 生產實踐證明：作為控制和檢驗冶煉、熱加工(鍛、軋、焊、熱處理)質量的力學性

17、能指標非常有效。 評定材料的冶金質量及熱加工質量及組織缺陷: -沖擊韌性K值對其非常敏感1.夾雜（渣）、氣泡、帶狀偏析；2. 過熱、過燒、氧化、脫碳、網狀組織、粗大碳化物、白點、回火脆性、淬火裂紋、鍛造裂紋、壓力加工后組織的各向異性等等等等；對組織缺陷：K最為敏感；塑性指標、K敏感，強度指標b、S較為敏感；而彈性模量E對組織不敏感。試驗要求：試樣合理的缺口型式，使材料處于半脆性狀態內進行，而對一般鋼材，梅氏試樣可滿足該要求（該要求提高了試驗的敏感性）。四、沖擊韌性K值的應用： 評定材料在不同溫度下的脆性轉化趨勢： 系列沖擊試驗1. 低溫系列溫度沖擊試驗：-測定評價材料的冷脆轉變 成份、熱處理及

18、壓力加工工藝完全相同的試樣分組分別在不同的溫度T下進行沖擊韌性K值的測試：測試溫度范圍由-60(或-80)+40，測出每組的K值(平均)，作出其KT變化關系曲線，稱為系列沖擊曲線。 可由曲線得到冷脆轉變溫度FATT（斷口有50%脆斷區或結晶斷裂區）或 TKTK對應著K值=15英尺.磅(=20.3 N.M)時的溫度值。2.回火系列溫度沖擊試驗：-測定評價材料的回火脆性同一成分及狀態的試樣，經淬火處理后分別在一系列不同的溫度T下回火，再在常溫進行沖擊韌性K值的測試：作出其K與回火T的變化關系曲線，稱為回火系列溫度沖擊曲線，找到其相應的回火脆性的溫度范圍。回火脆性：分低溫回火脆、高溫回火脆、再結晶回

19、火脆（回火加熱溫度:A1A3，有兩相混合組織，各占50%時K最低）。確定應變時效的時間敏感性； 作為受大能量沖擊的構件的材料的設計指標：一般地要求：T = 4.4時，AK15英尺.磅(20.3 N.m)，如AK 10J 時，材料易于脆斷。5.55.5低溫脆性低溫脆性 及其評定及其評定一、低溫脆性現象一、低溫脆性現象 體心立方金屬及合金、某些密排六方金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強度結構鋼，當試驗溫度低于某一溫度Tk時，材料由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理型，斷口特征由纖維狀變為結晶狀，這即低溫脆性，轉變溫度Tk稱為韌脆轉變溫度，亦稱冷脆轉變溫度

20、。 實際上由于材料化學成分的統計性，韌脆轉變溫度不是一個溫度，而是一個溫度區間。 左面的試樣取自海底的Titanic號，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。 泰坦尼克號鋼板和現代鋼板的實際沖擊結果示于下圖。在2的海水中，泰坦尼克號鋼板縱、橫向試驗中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現代鋼板縱向試驗中吸收能為325焦耳，橫向試驗中吸收能為100焦耳。 下圖是建造中的Titanic 號。Gannon 的文章指出，在水線上下都由10 張30 英尺長的高含硫量

21、脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開時，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使船體產生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。二、韌脆轉變的物理本質二、韌脆轉變的物理本質 斷裂強度c隨溫度的變化較小，而屈服強度s對溫度十分敏感，隨溫度降低，屈服強度升高，兩者的交點tk即為韌脆轉變溫度。TTk ,cs 先屈服再斷裂 韌性斷裂TTk, cs 先達到c 脆性斷裂三、系列溫度沖擊試驗三、系列溫度沖擊試驗 評定材料低溫脆性的最簡便的試驗方法是系列溫度沖擊試驗。該試驗采用標準夏比沖擊試樣，在從高溫（通常為室溫）到低溫的一系列溫度下進行沖擊試驗，測定材料沖擊功隨

22、溫度的變化規律，揭示材料的低溫脆性傾向。 四、韌脆轉變溫度的評定四、韌脆轉變溫度的評定 以低階能開始上升的溫度定義為Tk，記為NDT，稱無塑性或零塑性轉變溫度。無預先塑性變形斷裂對應的溫度，最易確定Tk的準則。在NDT以下，斷口由100%結晶區組成。以高階能對應的溫度定義為Tk ，記為FTP。最保守的定義Tk的方法。在FTP以上，100%纖維狀斷口。以低階能和高階能的平均值對應的溫度定義Tk，記為FTE。 2、斷口形貌準則 溫度下降，纖維區面積突然減小，結晶區面積突然增大。 FATT50沖擊試樣斷口中結晶區面積占整個斷口面積50時所對應的溫度作為脆性轉變溫度tk，亦可記為50FATT或t50。

23、 評定方法按GB/T12778-91金屬夏比沖擊斷口測定方法，測量時剪切唇按纖維區處理。 斷口形貌準則主要用于正火或調質狀態鋼材的評定。3、斷口變形特征準則 試樣沖斷時，缺口根部收縮，試樣背面膨脹，規定用試樣背面膨脹量達0.38mm時所對應的溫度，作為脆性轉變溫度。五、韌脆轉變溫度的意義五、韌脆轉變溫度的意義Tk是金屬材料的韌性指標，它反映了溫度對韌脆性的影響。Tk是安全性指標，可用于抗脆斷設計，保證機件服役安全。Tk是估計低溫服役機件最低使用溫度的依據，選用的材料應具有一定韌性溫度儲備。韌性溫度儲備：T0 Tk T0使用溫度 一般取4060，重要機件取60，非重要機件取20，中間取40。 幾

24、種鋼的脆性轉變溫度材料 s/Mpa 20J準則 0.38mm準則 50FATT準則 熱軋C-Mn鋼 210271746熱軋低合金鋼 385242212淬火回火鋼 618716754 由此可見，脆性轉變溫度是相對的，只有按同一準則確定的脆性轉變溫度才有可比性。此外，在一定條件下用試樣測定的脆性轉變溫度與實際結構或零件的脆性轉變溫度是不同的。所以對于大型結構的脆性評定，應發展更接近實際工況條件的試驗方法。六、落錘試驗六、落錘試驗 普通沖擊彎曲試驗試樣尺寸過小，不能反映實際構件中的應力狀態，而且結果分散性大，不能滿足一些特殊要求。為了克服這一困難，Pellini等人提出了落錘試驗方法。 落錘試驗法：

25、用于測定全厚鋼板的NDT，作為評定材料的脆性轉變溫度。試樣厚度與實際使用板厚相同，典型尺寸：25*90*350mm19*50*125mm16*50*125mm試驗中隨試樣溫度下降，其力學行為發生如下變化： 不裂拉伸側表面部分形成裂紋但未發展到邊緣拉伸側表面裂紋發展到一側邊或兩側邊試樣斷成兩部分 一般規定裂紋能擴展到試樣一側邊或兩側邊的最高溫度為無塑性轉變溫度NDT，其含義實際是鋼板彈性開裂的最高溫度，當TNDT時，含有大裂紋的試板不會碎裂。 落錘試驗的不足是：對脆斷不能給予定量評定，因為試驗采用動載荷，其結果能否用于靜載荷尚需研究，此外，板厚的影響亦未考慮。斷裂分析圖斷裂分析圖 通過落錘試驗求

26、得的NDT可以建立斷裂分析圖(FAD)，它是表示許用應力、缺陷和溫度之間關系的綜合圖，明確提供了低強度鋼構件在溫度、應力和缺陷聯合作用下脆性斷裂開始和終止的條件。應用：應用：斷裂分析圖為低強度鋼構件防止脆斷設計和選材提供依 據； 可用來分析脆性斷裂事故。不足：不足：未考慮加載速度和板厚的影響（25mm低強度鋼建立） 防斷裂設計參考判據防斷裂設計參考判據 在落錘試驗測得的NDT和大量同類試驗的基礎上，Pellini等提出了對低強度鐵素體鋼NDT的應用，建議了四個防斷裂設計參考判據：1 1、T T工作工作NDTNDT，由于NDT表示小裂紋可作為裂源引起脆裂的臨界溫度。工作溫度要求在NDT以上，允許的應力水平限制在3556 Mpa。 2 2、T T工作工作NDTNDT1717，允許工作s/2，意即名義應力低于s/2，且溫度高于NDT17時，裂紋不會擴展，該參考判據提供了s/2時的止裂溫度界限。 3 3、T T工作工作NDTNDT3333，允許工作s，意即名義應力低于s時，裂紋可在彈性區內擴展的最高溫度為NDT33，該臨界溫