低温断裂与疲劳.ppt

12.2 低温断裂与疲劳 低温致脆的最大特点是存在某一特定的温度范围，在此温度范围以上的断裂是韧性断裂，不显示脆性断裂的特征；低于此温度范围，为无韧性特征的脆性断裂；在此特定温度范围内的断裂，则显示韧-脆过渡形态，同时具有不同程度的韧性和脆性的断裂特征。这种现象称为冷脆。 而材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度TK称为韧-脆转化温度，或冷脆转化温度。 一、韧-脆转化理论 1、韧-脆转化的物理本质 2、Stroh的韧-脆转变温度理论 3、韧-脆转化的Cottrell模型-Petch屈服理论解释 二、低温疲劳 一、韧-脆转化理论 1、韧-脆转化的物理本质 金属材料的韧-脆转化过程 ： 图12.14 ?F、?S、SK随T、V和 的变化 可见：解理断裂应力?F基本上不随温度变化，而屈服点?S和韧性断裂应力SK则随温度升高而急剧降低并与?F曲线存在交点。 图中A点以下为无塑性变形的解理断裂，相当于夏比系列冲击试验的下平台。A点对应的温度即为韧-脆转化温度TK。 B点以上为经过塑性变形的纤维撕裂，相当于夏比冲击试验曲线的上平台。 AB之间为经过塑性变形之后的解理断裂，为韧-脆转化过程。 一般用位错的运动解释上述现象。 2、Stroh的韧-脆转变温度理论 Stroh的韧-脆转变温度理论认为，金属中的应力集中可能导致两种结果： 其一是激活附近的F-R源产生韧性断裂； 其二是产生微裂纹导致脆性断裂。 韧-脆转变就是这两种机制竞争的结果。 F-R源保持不被激活，发生脆断的几率表达式： 或 式中：p为某温度下，t时间内，位错不被激活而发 生脆断的几率； ν为位错振动频率； k为波耳兹曼常数； U(?)为激活被钉扎的F-R源需要的激活能； T为材料所处的温度。 可见：由于双对数的关系，随着温度T的升高，p值将很快从1变到0，这就表明了韧-脆转变是发生在很狭窄的温度范围内 。 3、韧-脆转化的Cottrell模型-Petch屈服理论解释 根据Cottrell模型，材料的屈服强度为 利用Hal1-Petch关系：?y=?i+Kyd-1/2 解理断裂时，解理断裂应力?F=?y。而脆断的临界条件为T=TK，则可以推导出TK表达式： 式中：TK为冷脆转化温度； d为晶粒平均直径； G为材料的切变模量； ?为材料的比表面能； ?为应力状态系数； 为Hall-Petch关系式的斜率； 是Cottrell模型中的系数； B、C为常数，可通过试验确定。 可见，冷脆转化温度TK主要取决于材料晶粒的大小d、比表面能?和应力状态?。此外还与系数 、 和B、C两个常数等因数有关。 温度降低和变形速度增加使?i和Ky增大，因而引起脆化。 二、低温疲劳 （1）温度降低，光滑试样的疲劳极限明显提高 （2）材料在低温下的疲劳缺口系数增大 结论：把常温下测得的疲劳强度用于低温零件设计一般是安全的，但是材料在低温下疲劳缺口敏感性提高，因此低温下更要注意处理好应力集中问题。 对于BCC和HCP等存在韧-脆转化的材料，疲劳强度也有韧-脆转化的问题。 * *