第4章---缺口、低温和应变.ppt

第4章缺口、低温和应变速率对材料性能的影响4.1、缺口效应4.1.1应力集中由于缺口部分不能承受外力，这一部分外力要由缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了。用应力集中系数:

为缺口根部缺口根部的最大应力,σn为净截面上的名义应力。在弹性范围内,Kt的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。4.1.2双向或三向应力状态3.2材料在静载下的缺口强度试验2、切口敏感性
切口敏感度定义为切口强度对抗拉强度的比值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。不同的材料对缺口敏感的程度不同，为了比较各种材料对缺口敏感的程度，常进行缺口静拉伸试验。(1)材料在制成缺口试样进行拉伸时，缺口根部只有弹性变形而失去了塑性变形能力，这时缺口截面上的应力分布如图2-8中的曲线1所示。断口形貌如图2-9(a)所示。
(2)在缺口根部可发生少量塑性变形，这时最大轴向应力SLmax已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处，如图2-8中的曲线2、3所示。断口形貌如图2-9(b)所示。
(3)如果材料的断裂抗力远远高于屈服强度，则随着载荷的增加,塑性区可以不断向试样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力SLmax也相应地不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此时SLmax出现在试样中心位置，如右图中曲线6所示。断口形貌如图2-9(c)所示。对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，是谓“缺口强化”。如果只作无偏斜的缺口拉伸试验，而以NSR来度量缺口敏感度的话，往往显示不出组织与合金元素的影响，因为只要很小的缺口塑性就能保证NSR>1。进行缺口偏斜拉伸试验的装置图2-11所示。1是带有缺口的试样，2是试样的螺纹夹头，3是具有一定偏斜角的垫圈，只要改变垫圈了的角度即可改变试样的偏斜角度。最常用偏斜角度为＝4°或8°，相应的缺口拉伸强度以φN4或φN8表示.缺口试样的静弯曲试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。3.3切口强度的估算(1)脆性材料----脆性材料遵循正应力断裂准则。
Ktσni=σf
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。当局部应变达到材料的断裂韧性值σf时，切口根部材料元发生断裂而形成裂纹：
Ktσni=（Eσfεf）1/2
公式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。
公式的力学意义是：当切口根部的弹性应力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，由于切口根部应力状态的变化，材料的断裂强度和断裂韧性也发生变化，切口根部裂纹形成准则为
Ktσni=0.64（Eσfεf）1/2
比较公式，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％。3.4切口冲击韧性冲击载荷的特点
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。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。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。
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。将具有一定重量G的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定的势能GH1，然后将摆锤释放，在摆锤下落至最低位置处将试样冲断，摆锤在冲断试样时所做的功，称为冲击功，以Ak表示，摆锤的剩余能量为GH2，故有
Ak=G(H1—H2)
Ak的单位为N·M(J)，摆锤冲击试样