第五章缺口顶端应力应变分析.ppt

防断裂设计参考判据 在落锤试验测得的NDT和大量同类试验的基础上，Pellini等提出了对低强度铁素体钢NDT的应用，建议了四个防断裂设计参考判据： 1、T工作≥NDT，由于NDT表示小裂纹可作为裂源引起脆裂的临界温度。工作温度要求在NDT以上，允许的应力水平限制在35－56 Mpa。 2、T工作≥NDT＋17℃，允许σ工作≤σs/2，意即名义应力低于σs/2，且温度高于NDT＋17℃时，裂纹不会扩展，该参考判据提供了σ＜σs/2时的止裂温度界限。 3、T工作≥NDT＋33℃，允许σ工作≤σs，意即名义应力低于σs时，裂纹可在弹性区内扩展的最高温度为NDT＋33℃，该临界温度称为弹性开裂转变温度(FTE)，当T＞FTE时，只发生塑性撕裂。因此FTE是应力等于σs时脆性裂纹止裂温度。 4、T工作≥NDT＋67℃，σ工作达到σb发生韧性断裂。该温度称为塑性开裂转变温度(FTP)，当T＞FTP时，断裂应力达到材料极限强度，当T＜FTP时，裂纹可在塑性范围扩展，断裂应力在σs和σb之间。 5.6冶金因素对低温脆性的影响 一、冶金因素 1、化学成分的影响 2、晶体结构的影响 3、显微组织 a.晶粒尺寸 b.金相组织 化学成分的影响 1）间隙溶质元素↑→韧性↓ 韧脆转变温度↑ 2）置换型溶质元素对韧性的影响不明显，钢中加入置换型溶质元素一般也提高韧脆转变温度。（Ni 减小，提高低温韧性） 3）杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降 以碳钢为例：C％↑→韧脆转变温度↑；Mn％↑→韧脆转变温度↓，对船体钢来说，关键要看Mn/ C比，只有当Mn/ C≥3时，船体钢才有比较满意的韧脆转变温度。 晶体结构的影响 体心立方金属及其合金存在低温韧性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，都有明显的低温脆性。 晶粒尺寸的影响 细化晶粒可使材料韧性增加。铁素体晶粒直径与韧脆转变温度的关系可用派奇方程描述： 其中，β、B、C为常数，d为铁素体晶粒直径派奇方程同样适用于低碳铁素体－珠光体钢，低合金高强度钢。减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高材料韧性。 金相组织的影响 1）对低强度钢：按Tk由高到低的顺序：珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体 2）对中碳合金钢且强度相同，Tk：下贝氏体＜回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织＞回火马氏体 3）低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织＞单一马氏体或单一贝氏体 4）马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善钢的韧性 钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有关。第二相尺寸增大，材料韧性下降，韧脆转变温度升高。 作业 1.阐述韧脆转变的物理本质。 2.解释名词：低温脆性；冲击韧性。 * * 生产上绝大多数机件或构件都是含有缺口的，如键槽、油孔 、台阶、螺纹等,必须考虑缺口对材料的性能影响。 * σn为净截面上的名义应力 * 虚线表示应力分布状态。 * 《材料力学性能》王吉会，天津大学出版社，2006，pp84。对椭圆形缺口的薄板，K＝1＋2a/b,ab为椭圆的长短轴。 * 板的厚度相对于缺口或裂纹深度足够大。广义胡克定律。 * 屈雷斯加判据，σs= σy-σx,最大值出现在弹性区和塑性区的交界处。 * 屈雷斯加判据，σs= σy-σx,但这种强化是以缺口的净截面积计算的并与同样截面的光滑试样相比较，如果与包括缺口深度的原始总面积的光滑试样比较，断裂载荷总是较低的。在有缺口时，塑性材料的抗拉强度也会应塑性变形受约束而有所增高。 * 缺口附近的应变速率远高于平均的应变速率。 * 在断口上距表面一定深度范围，存在纤维区，这是断裂的起源阶段，然后裂纹向中心弹性区扩散，呈放射状。最终破断区位于试样中心或一侧。 * 出现同心圆似的纤维层－－环状剪切脊。裂纹从外向里发展。 * 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”。但这种强化是以缺口的净截面积计算的并与同样截面的光滑试样相比较，如果与包括缺口深度的原始总面积的光滑试样比较，断裂载荷总是较低的。对于脆性材料，由于缺口造成的应力集中，不会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试样的强度只会低于光滑试样 。 * 缺口尖端的曲率半径越小，缺口越深，材料对缺口的敏感性越大．缺口相同，试样截面尺寸越大，缺口敏感性也越大 这是由于尺寸较大的试样，弹性能储存较高所致 降低温度，尤其对bcc金属，屈服强度显著增高，塑性下降，故缺口敏感性急剧增大， * 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NSR1