第六章切口强度与切口冲击韧性

●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械冲击 时的绝对变形速率在103m／s以下。在弹性变形速
率高于加载变形速率时，则加载速率对金属的弹性 性能没有影响。 ●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑性变 形不能充分进行。 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面积 。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、形状 和体积有关。
图6-9 摆锤冲击试 验原理示意图
切口为U型：冲击韧性值：
Ak 冲击功， S0 净断面积。
kU AK / S0
kV AK / S0
V型切口：冲击韧性值：
6.6.3 切口冲击韧性的意义及应用
切口试什的断裂可能经历三个阶段：裂纹在切口根部形成， 裂纹的亚临界扩展和最终断裂。 切口试件的冲击断裂可能要吸收三部分能量： 裂纹形成能、亚临界扩展能、断裂能。
图6-13 冲击断口形貌示意图
影响因素：
钢的成分、组织和冶金质量。 a.降低钢中的碳、磷含量；细化晶粒，热处理成低碳马 氏体和回火素氏体，可提高高阶能；
b.增加钢中碳、磷、氧含量，Si、Al含量超过一定值以 及应变时效等，降低高阶能；形成上贝氏体以及应变 时效，均提高韧脆转化温度； c.增加镍含量，细化晶粒，形成低碳马氏体和回火索氏 体，消除回火脆性等，将降低韧脆转化温度；
Kt=σmax/σn
σ
图6-1 受拉伸的中心圆孔扳
6.3 切口强度的实验测定
切口强度通常用切口圆柱试件(见图6-5(a))或双切口 平板试件(见图6-5(b))，进行拉伸试验予以测定。 切口几何的三个主要参数为： 切口深度t、切口根部的曲率半径、切口张角 切口强度：切口试件拉伸断裂最大载荷，除以切口处 的净断面积。
断口形貌法 断口上有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇。 在不同的温度下,上述三个区的相对面积是不同的； 结晶区的面积随温度的变化，结晶区面积百分比的增 大,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占50％时的 温度为韧脆转化温度，记为50％FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)。 在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧-脆 转化温度。这是韧性的温度储备。韧性温度储备的大 小取决于机件的重要程度。
Ktσni=0.64（Eσfεf）1/2
(6-15)
比较公式(6-14)和(6-15)，可以看出，平面应 变状态下切口根部裂纹形成应力，仅为平面 应力状态下的64％。
切口敏感度系数：
切口强度比：
NSR n / b E f f / K t b
切口敏感度系数：
K bN NSR K t E f f / b
6.7 低温脆性 金属材料的强度一般均随温度的降低而升 高，而塑性则相反。 一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑 性降低到零而变为脆性状态。这种现象称 为低温脆性。
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随 温度降低而变化的速率问题。
倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断 裂强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σf， 金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现 为脆性的； 而在Tc以上，σs<σf，金属在断裂前发生塑性变 形，故表现为塑性的。
d.增加钢中镍、铜含量，有利于提高低阶能．
本章完
6.1

前言
1、广义的“切口” 切口的存在造成：应力应变集中和多向性。


二战事故分析的结论：
①脆断钢板，其夏比V型切口试件冲击值AKV在10℃ 时低于20.35J（15ft1bf)(1 英尺· 磅力＝1.35582 牛· 米) ②韧性钢板，其AKV值在10℃时高于20.35J 。

2、切口强度：
6.6.2 切口冲击韧性的测定
冲击韧 性试验机
试验：质量m的摆锤，举至高度H ，势能mgH1；锤释 放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能量 就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以Ak表示。 剩余的能量使摆锤扬起高度H2，故剩余的能量即为 mgH2。 Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2) Ak的单位为J。 (6-22)
(3)将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温度高于 FTP，试件的断口为100％的纤维状断口。
图6-12 各种确定韧脆转化温度的方法及所确定的韧-脆转化温度
(4)高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化 温度，记为FTT(Fracture Transition Temperature)．
Ktσni=（Eσfεf）1/2
(6-14)
公式(6-14）是塑性材料的切口根部裂纹起始准则 。
(Eσfεf）1/2可以认为是工业金属结构材料理论强度
值的一种量度。
公式(6-14)的力学意义是：当切口根部虚拟的弹性应 力Ktσn达到理论断裂强度时，则裂纹在切口根部形 成。
在平面应变状态下，切口根部裂纹形成准则 为
图6-7 零件中的切口根部塑性区（1）和材料元（2）
图6-7 零件中的切口根部塑性区（1）和材料元（2）
(1) 脆性材料----脆性材料遵循正应力断裂
准则。
Ktσni=σf (6-13)
式中σni为裂纹形成时切口试件所受的名义应力，或称 切口根部裂纹形成应力。
(2) 塑性材料 塑性材料遵循正应变断裂 准则。
第六章 切口强度与 切口冲击韧性
第二次世界大战期间，美国在很短时间 内赶造了4000艘船，其中250艘在1940～ 1951年间断裂，另1200艘发现裂缝。1952年 “Fort Macar”油轮断裂，2年后，英国20000t 油轮“World Conrad”也遭同样厄运。裂纹大 多起始于结构上处理不当的接头，再加上焊 接缺陷，进一步深入分析，诸多问题均与 “钢材的脆性断裂”有关，由此“抗冲击韧 性”便成了评定钢材材质的一项基本指标。
具体用途有： ①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量， 通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣 、气泡、偏析、严重分Leabharlann Baidu等冶金缺陷和过热、过烧、 回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；
②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度； ③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲 击断裂的抗力，因而对某些在特殊条件下服役的 零件，如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： ④评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏 感性。
切口断面收缩率，称为切口塑性(Notch Ductility) 。
图6-5 切口试件与切口几何
6.4切口强度的估算
6.4.1 切口根部裂纹形成准则 切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口 根部形成裂纹，形成于切口根裂纹的亚临界扩展，当裂 纹达到临界尺寸时发生断裂。裂纹在切口根部形成，可 以假定是由切口根部材料元的断裂引起的，如图6-7所示 。
6.2 局部应力与局部应变 一受拉伸裁荷的薄板，其中的应力分布是均 匀 的。若在板的中心钻一圆孔，则在孔的周围应力 分布发生了很大的变化如图6-1所示； 在孔的边缘，拉应力最大，离孔边越远，应力 越小。最后趋近于净断面平均应力，即名义应力
σn。
将最大应力 max与名义应力σn之比定义 为应力集中系数 Kt 的定义：
图6-11 金属的强度和塑性随温度的变化[12]
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功 AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按一定 的方法确定韧脆转化温度。
能量法：有下列几种： (1)以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=20.35J对应的 温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT，这是实践经验 总结而提出的方法. (2)图6-12中的曲线有两个平台。上平台所对应的能量称 为高阶能，下平台所对应的能量称为低阶能。将低阶能 开始上升的温度定义为韧-脆转化温度，记为NDT（Nill Ductility Temperature)称为零塑性温度。在NDT以 下，试件的断口为100％的结晶状断口。
用带切口的拉伸试件测定其断裂时的 名义应力(净断面平均应力)， 记为σ ，
bN
bN
Pmax AN
3、切口敏感性
切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比NSR ：
NSR=σbN／σb
若NSR＞1.0，表示材料对切口不敏感，或者说材 料是切口韧性的； 若NSR＜1.0，则材料对切口敏感，材料是切口 脆性的[60]。
不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均匀地吸收， 从而应力和应变也是均匀分布的； 零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的 应力和应变也愈小。 含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多的能量， 使局部应变和应变速率大为升高。 另一个特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响 到冲击过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力 大小。这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和 塑性。 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表 示材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的 力学性能。
当 Kt<KbN，NSR>1.0；当Kt>KbN，NSR<1.0
6.6 切口冲击韧性 6.6.1 冲击载荷的特点
冲击载荷与静载荷的主要在于加载速率不同； 加载速率佷高，而后者加载速率低。 加载速率用应力增长率σ=dσ/dt表示，单位为MPa／s。 变形速率有两种表示方法：即绝对变形速率和相对变形速率。 绝对变形速率为单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt， 单位为m／s。 相对变形速率即应变速率，ε=dε/dt，单位为s-1。
6.6.2 切口冲击韧性的测定



材料的韧性是指材料 在塑性变形和断裂的全 过程中吸收能量的能力， 它是材料塑性和强度的 综合表现。 材料在冲击载荷作用 下抵抗破坏的能力称为 冲击韧度。 1.摆锤冲击实验 冲击韧度值用公式表 示： A k k (J/cm2)
S0
冲击试样
国家标准现已规定用 Ak作为韧性判据。