6切口强度与切口冲击韧性

6.6 切口冲击韧性
6.6.1 冲击载荷的特点
概念： 概念：高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷。 例子：飞机起落、 例子：飞机起落、内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连杆 使活塞和连杆间发生冲击、金属件的冲压和锻造加工等。 使活塞和连杆间发生冲击、金属件的冲压和锻造加工等。 生产上利用冲击载荷来实现静载荷难以实现的效果，如凿岩机 生产上利用冲击载荷来实现静载荷难以实现的效果， 8m/s)、穿甲弹(1.5 2.0km/s)等 (6～8m/s)、穿甲弹(1.5～2.0km/s)等。 需要评定材料在冲击载荷作用下的力学行为
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6.1 前言
切口对材料的力学性能影响
假设一个薄板的边缘开有切口， 假设一个薄板的边缘开有切口， 并承受拉应力σ的作用。 并承受拉应力σ的作用。 当板材处于弹性范围内时，其切 当板材处于弹性范围内时， 口截面上的应力分布如右图所示。 口截面上的应力分布如右图所示。 从图可看出，切口截面上的应力 从图可看出， 分布不均匀，轴向应力σy在切口 分布不均匀，轴向应力σ 根部最大，随着距离的增加，σy 根部最大，随着距离的增加， 不断下降，所以在切口根部产生 不断下降， 了应力集中的现象。 应力集中的现象。 的现象
& ε = v/l
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6.6 切口冲击韧性
6.6.1 冲击载荷的特点
静拉伸试验的应变率为10 静拉伸试验的应变率为 -5 ~ 10-2 s-1 冲击试验的应变率为 102 ~ 104 s-1 应变率处于10 的中等应变速率试验，如落锤、 应变率处于 -2 ~ 102 s-1的中等应变速率试验，如落锤、旋转 飞轮等。 飞轮等。 当应变率大于10-2 s-1时，材料的力学性能将发生显著变化。 当应变率大于 材料的力学性能将发生显著变化。
σbn=σf/Kt=σb/Kt
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6.4 切口强度的估算
塑性材料---塑性材料遵循正应变断裂准则 (2) 塑性材料--塑性材料遵循正应变断裂准则 塑性材料切口根部裂纹起始准则: 塑性材料切口根部裂纹起始准则 Ktσni=（Eσfεf）1/2 （ 切口根部裂纹形成应力σni≈切口试件断裂应力 bn 切口根部裂纹形成应力 切口试件断裂应力σ 切口试件断裂应力
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6.1 前言
切口对材料的力学性能影响
切口的第一个效应:应力集中，并改变了切口前方的应力状态 切口的第一个效应:应力集中， (由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，这种状态 由板厚或直径决定)。 对于脆性材料或低塑性材料进行切口试样拉伸时，很难通过切口 根部极为有限的塑性变形使应力重新分布，往往直接由弹性变形 过渡到断裂，切口试样的抗拉强度必然比光滑试样的低。 切口试样的抗拉强度必然比光滑试样的低。 切口试样的抗拉强度必然比光滑试样的低
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6.6 切口冲击韧性
6.6.1 冲击载荷的特点
不含切口零件的冲击： 不含切口零件的冲击： 冲击能被零件的整个体积均匀地吸收，应力和应变均匀分布； 冲击能被零件的整个体积均匀地吸收，应力和应变均匀分布； 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 零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小， 应变也愈小。 应变也愈小。 含切口零件的冲击： 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 切口根部单位体积将吸收更多的能量， 大为升高。 大为升高。
6.2 局部应力与局部应变
切口造成应力集中，切口根部局部应力大于屈服强度。 切口造成应力集中，切口根部局部应力大于屈服强度。 带切口零件整体弹性，切口根部产生塑性应变。 带切口零件整体弹性，切口根部产生塑性应变。
弹塑性应力集中因子：Kσ=σ/σn 弹塑性应力集中因子：
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6.1 前言
不论何种金属材料，切口总使其塑性降低，脆性增大， 不论何种金属材料，切口总使其塑性降低，脆性增大，是一种脆 化因素。 化因素。 切口试样的力学性能，分为静载荷下的切口强度 切口试样的力学性能，分为静载荷下的切口强度 静载荷下的 冲击载荷下的切口冲击韧性 切口冲击韧性两种 冲击载荷下的切口冲击韧性两种 常用的切口试样静载力学性能试验方法：切口拉伸、 常用的切口试样静载力学性能试验方法：切口拉伸、切口偏斜拉 切口试样静载力学性能试验方法 切口静弯曲等 伸、切口静弯曲等 常用的切口试样冲击载荷力学性能试验方法：摆锤冲击实验 常用的切口试样冲击载荷力学性能试验方法：摆锤冲击实验 切口试样冲击载荷力学性能试验方法 试验的本质就是在很硬的应力状态和有应力集中条件下考查 材料的变脆倾向。 材料的变脆倾向。
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6.2 局部应力与局部应变
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6.2 局部应力与局部应变
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6.2 局部应力与局部应变
应力集中因子K 的定义： 应力集中因子 t的定义：
Kt=σmax/σn
最大应力； 净断面平均应力 净断面平均应力） （σmax-最大应力；σn–净断面平均应力） 最大应力
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6.1 前言
切口对材料的力学性能影响
切口处的应力集中，必然导致应变集中。 切口处的应力集中，必然导致应变集中。 应变集中 后果1：导致裂纹的产生 后果1 由于切口根部附近的应变硬化体积很小， （由于切口根部附近的应变硬化体积很小，所以应 变集中引起开裂并不需要消耗很大的塑性功）。 变集中引起开裂并不需要消耗很大的塑性功）。 后果2 后果2：切口附近的应变速率远高于平均的应变速率
当最大应力不超过材料弹性极限σe时， Kt只与切口零件的几何 有关，又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子。 几何应力集中因子或 几何应力集中因子 弹性应力集中因子。 应变集中因子K 的定义： 应变集中因子 ε的定义：
Kε=ε/εn （ε-局部应变；εn–平均应变） 局部应变；
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6.6 切口冲击韧性
6.6.2 切口试样的冲击试验和冲击韧性
试验过程： 试验过程： 将样品水平放在试验机的支 座上， 座上，缺口位于冲击相背的 方向。 方向。 将具有一定质量m的摆锤举 将具有一定质量 的摆锤举 至一定高度H 至一定高度 1，使其获得一 定位能mgH1。 定位能 释放摆锤冲断试样， 释放摆锤冲断试样，摆锤的 剩余能量为mgH2，则摆锤 剩余能量为 冲断试样失去的位能为 mgH1-mgH2，这就是试样所 消耗的功，称为冲击功， 消耗的功，称为冲击功，以 Ak表示，单位为 。 表示，单位为J。
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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区别：加载速率不同 冲击载荷与静载荷的主要区别： 加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率。用单位时间内应力 增加的数值表示。 变形速率：单位时间内的变形量 变形速率有两种表示方法： （1）变形速率：v=dl / dt （2）应变速率：ε = dε / dt &
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6.6 切口冲击韧性
6.6.2 切口试样的冲击试验和冲击韧性
用于冲击试验的标准试样常为10mm×10mm×55mm的 型或V 用于冲击试验的标准试样常为10mm×10mm×55mm的U型或V型切口 10mm (Charpy)U型切口试样和夏比 试样，分别称为夏比(Charpy)U型切口试样和夏比V型切口试样。 试样，分别称为夏比(Charpy)U型切口试样和夏比V型切口试样。 习惯上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试样。 习惯上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试样。
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6.6 切口冲击韧性
6.6.1 冲击载荷的特点
冲击载荷下材料变形与断裂的特点 在冲击载荷作用下，零件的变形与破坏过程与静载荷一样， 仍 在冲击载荷作用下，零件的变形与破坏过程与静载荷一样， 分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。 分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。 由于加载速度的不同，对这三个阶段产生了不同的影响。 由于加载速度的不同，对这三个阶段产生了不同的影响。
σbn=α（Eσfεf）1/2/Kt （
平面应力状态：α=1 平面应力状态： 平面应变状态： 平面应变状态：α=0.64
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6.5 切口敏感度评估
切口构件不发生低应力脆断： 切口构件不发生低应力脆断：σbn >σ0.2
切口强度比
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6.3 切口强度的实验测定
通常用切口圆柱试件 双切口平板试件 切口圆柱试件或双切口平板试件 切口圆柱试件 双切口平板试件进行拉伸试验予以测定 t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
切口几何的三个主要参数为： 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ρ 切口张角ω 切口深度t、切口根部的曲率半径ρ、切口张角ω
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6.3 切口强度的实验测定
切口强度(切口试件的断裂应力) 切口试件拉伸断裂最大载荷， 切口强度(切口试件的断裂应力) ：切口试件拉伸断裂最大载荷， 除以切口处的净断面积。 除以切口处的净断面积。
σbn=4pmax/πdn2
切口断面收缩率(切口塑性, 切口断面收缩率(切口塑性,Notch Ductility) )
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6.6 切口冲击韧性
6.6.1 冲击载荷的特点
• 应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响 弹性变形是以声速在介质中传播的（如在钢中为 4982m/s）， 而普通冲击试验时变形速度只有5-5.5 m/s，高速冲击试验的变 形速度也在103 m/s以下。 • 对塑性变形，随加载速度的增加，塑性形变来不及充分进行， 对塑性变形，随加载速度的增加，塑性形变来不及充分进行， 表现为弹性极限 屈服强度等微量塑性变形抗力的提高。 弹性极限、 表现为弹性极限、屈服强度等微量塑性变形抗力的提高。同时 还发现塑性变形极不均匀 塑性变形极不均匀。 还发现塑性变形极不均匀。
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6.4 切口强度的估算
脆性材料-------脆性材料遵循正应力断裂准则 (1) 脆性材料----脆性材料遵循正应力断裂准则 裂纹形成准则： 裂纹形成准则： σ=Ktσni=σf
σni ---裂纹形成时切口试件所受的名义应力 裂纹形成时切口试件所受的名义应力 (切口根部裂纹形成应力 切口根部裂纹形成应力) 切口根部裂纹形成应力 切口根部裂纹形成应力σ 切口试件断裂应力 切口试件断裂应力σ 切口根部裂纹形成应力 ni≈切口试件断裂应力 bn
6.5 切口敏感度评估
材料的切口敏感度因子
K bN = NSR ⋅ K t = α Eσ f ε f / σ b
当 Kt<KbN，NSR>1.0：构件不发生低应力脆断 ： KbN越大，材料的切口敏感度越小 越大， 脆性材料： 脆性材料：KbN=1.0
脆性材料对切口是绝对敏感的
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6.1 前言
切口对材料的力学性能影响
产生高的应力集中； (1) 产生高的应力集中； (2) 引起双向或三向应力状态，使材料脆化； 引起双向或三向应力状态，使材料脆化； 由应力集中带来应变集中； (3) 由应力集中带来应变集中； 使切口附近的应变速率增高。 (4) 使切口附近的应变速率增高。
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第六章 切口强度与切口冲击韧性
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6.1 前言
拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法， 拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，都是采用横 截面均匀的光滑试样， 截面均匀的光滑试样， 实际生产的机件，截面上往往存在截面的急剧变化， 实际生产的机件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键 台阶、螺纹、油孔、刀痕及焊缝等， 槽、台阶、螺纹、油孔、刀痕及焊缝等，这种截面变化的 部位可称为“切口” 缺口” 部位可称为“切口”或“缺口”。 由于切口的存在，在静载荷作用下， 由于切口的存在，在静载荷作用下，切口截面上的应力状 态将会发生变化，产生所谓的“切口效应”，从而影响金 态将会发生变化，产生所谓的“切口效应” 属材料的力学性能。 属材料的力学性能。