第五章缺口效应冲击韧性和低温脆性

第五章缺口效应冲击韧性和低温脆性

前面我们知道，随着应力状态柔性系数降低，屈服强度上升；随加载速度增加，则屈服强度上升；随温度降低，则屈服强度上升。上述各因素均使材料变脆（即韧性降低）。实际上缺口的存在，使应力状态柔性系数降低，在冲击载荷下，加载速度增加，当温度降低，且低于冷脆转变温度T K时，则表现为低温脆性，这就是本章所要讨论的问题。

第一节缺口效应和金属的缺口敏感度

生产上绝大多数机件或构件都不是截面均匀无变化的光滑体。而存在截面的突变，如键槽。油孔，台阶，螺纹尖角，退刀槽等。截面突变可简称为缺口。实际上机件或构件的绝大部分都是缺口体。

缺口的存在引起如下一些作用

一．缺口引起应力集中和多轴应力状态

缺口的存在首先在缺口处引起多轴应力状态，造成各种现象的原因在第一章讨论颈缩现象和颈部应力分布时已分析过了。

1.圆截面缺口试样

我们知道，圆截面缺口试样单轴静拉伸时在弹性变形范围内的应力分布情况。

轴向应力S L和切向应力S t都是在缺口顶端表面处最大，但颈向应力S r的最大值却位于离表面一定距离处，而在缺口表面处等于零。

2.薄板试样（平面应力）

缺口试样在弹性变形范围内的应力分布情况，也是轴向应力在缺口根部最大，横向拉应力的最大值位于缺口根部一定距离处。

3．厚板试样（平面应变）

应力分布不均匀并出现最大值的现象称之为应力集中，这是缺口的第一效应。

缺口截面上的最大轴向应力S max和该截面上的平均应力之比称为理论应力集中系数K t

K t越大，缺口试样应力集中越严重，越尖锐。关于各种几何形状缺口的K t值可通过计算或直接测试，或者查阅有关资料而得到.

在弹性范围内，K t数值决定于缺口的几何形状与尺寸。

缺口处出现多轴应力状态（缺口的第二作用）和存在应力集中（第一作用）现象后，要使试样发生屈服，就需要更大的的单轴应力。这是因为最大切应力tmax和主应力(Sl_Sr)有关，如t max=S l-S r/2 所以要得到同样大小的切应力，使试样发生屈服时，就需要更大的单轴应力S l。以后会由证明得到，在平面应变下，这个可接近光滑试样屈服强度的3倍。通常将缺口试样的屈服强度和同一材料光滑试样的屈服强度之比定义为约束系数（或称塑性抑制系数）Q

P51图2-2表示在平面应力状态下，缺口处局部顶端出现塑性区后的应力分布情况。可以看出屈服强度被提高的情况。

二. 缺口引起应变集中和缺口处局部应变集率增大，缺口的第三个作用是在弹塑性状态下引起应变集中。已知在弹性变形范围呢你，应变正比于应力。我们只需区分应力集中系数和应变集中系数，但是在弹性变形范围内，由于应力与应变之间呈非线形关系，这两种系数之间的区别就必须予以考虑力了。我们定义在弹塑性条件下的应力集中系数和应变集中系数。虽然运用有限元分析计算方法可以得到较近似正式的严格弹塑性结果。

该关系不能给出缺口根部一定深度范围内的塑性应力和塑性应变的分布规律，但可以给出缺口根部表面的应力和应变值。

应变集中的后果是导致裂纹的产生。

缺口的第四个作用是在缺口处出现局部应变速率的增大

第二节温度对材料力学性能的影响

一．低温脆性现象

1.除fcc金属外，其它金属随着问地下降，屈服强度集聚增加。即fcc没有冷脆现象。

2.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，冲击值或端面收缩率急剧下降断口特征为纤维状转变为结晶状。断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理型。

我们把TK称为韧脆转变温度或者低温转变温度。这种现象称为低温脆性（冷脆）

低温脆性的物理本质为：材料的屈服强度随着温度的降低而集聚增加

P53 一般分为三类曲线（**—S曲线）

第一类曲线：（图2-5） fcc中的cu，AL等材料在很低的温度下，韧性依然保持较高。随T降低，屈服强度不变，但形变硬化率升高。

第二类曲线：（图2-3） bcc随T降低，屈服强度升高，韧性降低，但形变硬化速率不变。第三类曲线：（图2-6） hcp随温度降低，屈服强度升高，形变硬化速率也升高，均匀升长率升高（韧性升高）。

低温脆性对压力容器，桥梁，船舶结构及在低温下服役的机件是非常重要的。

对低温脆性的解释：由于材料屈服强度**随着温度下降而急剧上升，但断裂强度**对温度不敏感。因此，在某温度TK处这两种强度相等。

当T大于TK时，先屈服发生塑性变形，然后断裂，表现为韧性断裂。

当T小于TK时，断裂发生在屈服变形前，表现为脆性

①体心立方金属的低温脆性和位错在晶体中运动的阻力对温度变化非常敏感。以及低温下螺位错交滑移困难有关。

②Fcc金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。

③Bcc金属的低温脆性还与迟屈服有关。所谓近屈服即对低碳钢施加一交变载荷到高于材料**并不立即屈服，而需要经过一段孕育期才开始塑性变形，这是因为孕育期中产生弹性变形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而表现为脆性破坏。

第三节应变速率对材料力学性能的影响

1.随应变速率的增加，抗拉强度增加，且两者的关系随着温度的增加而增加。

2.条件应变速率条件应变速率正比于实验机夹头移动速度

真实应变率

3.在一定温度与应变量增加，流变应力和应变速率的关系

应用：推迟颈缩的方法：

①相变强化法：材料受力变形时，一面变形一面产生相变，提高加工硬化率。

②增大m：当材料具有高的m时，只要一开始颈缩，就可以使颈缩区具有高的m值，这时该局部区域的流变应力迅速增大，颈缩难以形成（超塑性）

第四节材料在静加载下的缺口强度试验

一．缺口敏感度和缺口表示方法

由于缺口的存在，引起缺口处的应力集中，应变集中，造成更“硬”性的三向不等拉伸应力状态和增大缺口处局部应变速率。显然，这些情况使缺口体很容易处于脆性状态从而导致早期断裂。在试样缺口条件下，由于材料不同，这种脆化倾向也不同。因此，要衡量一个机件材料在更“硬”性应力状态的工作能力如何，是处于脆性状态还是韧性状态，亦即对缺口是否敏感。可以采用缺口试样进行缺口效应试验，以评定材料的缺口敏感度。缺口效应试验有缺口静拉伸，缺口偏斜拉伸，缺口静弯曲和缺口冲击弯曲。这就是缺口效应试验的意义。由于应力集中的大小和三向应力状态的程度都取决于缺口的形状和深浅，因此对缺口形状的表示方法作如下规定：

缺口形状的最主要三个符号：**—缺口深度 W—缺口角度