46金属缺口试样的力学性能

第三章金属缺口试样的力学性能广义地说，机件截面急剧变化，如轴肩、螺纹、油孔、倒角、退刀槽及焊缝等，均可视作缺口，材料内部组织的不均匀，也有类似缺口的作用。缺口要影响到材料的弹性变形、塑性变形和断裂过程，具体表现是使材料变脆，提高形变速率或降低温度对材料力学性能的影响与缺口相类似。§3.1缺口效应一．弹性状态下的应力分布理论应力集中系数Kt，maxtK应力集中程度决定于缺口形状、深度、角度及根部曲率半径等几何参数。(1)缺口效应一：缺口造成应力应变集中。(2)缺口效应二：缺口前方应力状态发生改变，平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸。（薄板两向，厚板三向）yx，x的出现是变形连续性要求的结果。二．塑性状态下的应力分布Tresca判据：sxy塑性变形时，y引起的横向收缩约比弹性变形时大一倍，需要较高x值才能维持连续变形。可见在缺口条件下，试样屈服应力比单向拉伸时高，产生所谓‘缺口强化’现象。（3）缺口效应三：缺口使塑性材料得到强化。§3.2缺口试样在静载荷下的力学性能缺口是一种脆化因素。缺口敏感性：金属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。常用缺口试样静载力学性能试验方法：缺口拉伸，缺口偏斜拉伸，缺口静弯曲。一．缺口试样静拉伸和偏斜拉伸1．缺口敏感度qe或NSR(NotchSensitivityRatio)：bbNeq脆性材料和高强度材料：qe1塑性材料：qe1qe越大，缺口敏感性越小。2．qe除同材料本身性能、应力状态（加载方式）有关外，还同缺口形状和尺寸、试验温度有关。3．缺口试样静拉伸实验广泛用于研究高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆，高温合金的缺口敏感性等。4．缺口试样偏斜拉伸试验，同时有拉伸和弯曲复合作用，应力状态更硬，缺口截面上应力分布更不均匀，可显示材料的高缺口敏感状态。实验时，试样与实验机夹头间有一垫圈，垫圈倾斜角为0、4、8三种。二．缺口试样静弯曲缺口弯曲较缺口拉伸应力应变分布不均匀性大，但应力应变多向性减小。缺口弯曲试验根据断裂时的残余挠度来评定材料的缺口敏感性。§3.3缺口试样在冲击载荷下的力学性能加载速率：载荷施加于试样或机件的速率，可间接用形变速率来反映。缺口试样冲击实验通常是按冲断能量值来评定材料的缺口敏感性。一．缺口试样冲击弯曲、冲击韧性冲击功：试样变形和断裂所消耗的功，根据试样缺口形状不同，分别记为AKV和AKU。冲击韧性：用试样缺口处截面积FN去除冲击功，即为冲击韧性，记为aKV和aKU。aKV(aKU)=AKV(AKU)/FN具体用途：1．反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量2．根据系列冲击实验（即低温冲击实验）可得冲击韧性对温度的关系曲线，来评定材料的低温变脆倾向。3．对屈服强度大致相同的材料，冲击韧性可以评定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。三．缺口试样冲击拉伸§3.4低温脆性一．低温脆性现象当试验温度低于某一温度TK时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击值明显下降，断口特征由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，即为低温脆性。TK称为韧脆转变温度。低温脆性是金属材料屈服强度随温度降低而急剧增加的结果。体心立方金属的低温脆性和位错在晶体中运动的阻力i对温度变化敏感有关。体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。二．韧脆转变温度依照断裂所消耗的功或断裂后塑性变形的大小可以确定TK，也可以根据不同下的断口形貌来求得TK。能量法定义TK：(1)AKV=15英尺磅（20.3Nm）,记作V15TT，主要针对低碳钢船用钢板。（2）低阶能，NDT(NilDuctilityTemperature)（3）高阶能，FTP(FractureTransitionPlastic)（4）FTE(FractureTransitionElastic)断口形貌：50%FATT(FractureAppearanceTransitionTemperature)三．落锤试验和断裂分析图§3.5影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一．冶金因素1．晶体结构的影响2．化学成分的影响3．显微组织的影响二．外部因素1．温度蓝脆：碳钢和某些合金钢，在230-370C温度范围内拉伸或在525-550C温度范围内冲击试验时，强度升高，塑性降低的现象，因在该温度范围内加热钢的氧化色为蓝色，故称之为蓝脆。蓝脆是形变时效加速进行的结果，温度升高到某一适当温度时，碳、氮原子扩散速率增加，易于在位错附近偏聚形成Cottrel气团，这一过程所需时间较塑性变形发展所需时间短，因而强度提高，塑性降低。冲击载荷的形变速率较高，故蓝脆温度也较高，以使碳氮原子扩散加快，获得足够激活能以形成气团。2．加载速率3．试样尺寸和形状试样尺寸增加，应力状态变硬，且缺陷几率增大，故脆性增大。