材料的力學(xué)性能

材料的力學(xué)性能第1頁/共76頁4.1斷裂分類與宏觀斷口特征4.1.1斷裂的分類

韌性斷裂與脆性斷裂

這是根據(jù)材料斷裂前塑性變形的程度進(jìn)行的一種分類。韌性斷裂是指材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程。在裂紋擴展過程中需要不斷地消耗能量。由于韌性斷裂前已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形，有一定的預(yù)警，所以其危害性不大。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形。一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5％者為脆性斷裂，該材料即稱為脆性材料；反之，大于5%者則為韌性材料。

RAL第2頁/共76頁4.1.1斷裂的分類

穿晶斷裂與沿晶斷裂

根據(jù)裂紋擴展路徑進(jìn)行的一種分類。

穿晶斷裂裂紋穿過晶內(nèi)，沿晶斷裂裂紋沿晶界擴展。4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第3頁/共76頁4.1.1斷裂的分類

穿晶斷裂與沿晶斷裂

從宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如室溫下的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（低溫下的穿晶斷裂），而沿晶斷裂則多數(shù)是脆性斷裂。沿晶斷裂一般是晶界被弱化造成的斷裂。相變時產(chǎn)生的領(lǐng)先相如脆性的碳化物、很軟的鐵素體等沿晶界分布可以使晶界弱化；雜質(zhì)元素磷、硫等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂。4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第4頁/共76頁4.1.1斷裂的分類解理斷裂、純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂

按斷裂的晶體學(xué)特征分類解理斷裂是材料（晶體）在一定條件下(如低溫)，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。微孔聚集斷裂是通過微孔形核長大聚合而導(dǎo)致材料分離的。由于實際材料中常同時形成許多微孔，通過微孔長大互相連接而最終導(dǎo)致斷裂，故常用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂，如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂。4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第5頁/共76頁4.1.1斷裂的分類正斷和切斷

按斷裂面的取向可以將斷裂分為正斷和切斷。正斷型斷裂的斷口與最大正應(yīng)力相垂直，常見于解理斷裂或約束較大的塑性變形的場合。切斷型斷裂的宏觀斷口的取向與最大切應(yīng)力方向平行，而與主應(yīng)力約成450

角。切斷常發(fā)生于塑性變形不受約束或約束較小的情況，如拉伸斷口上的剪切唇等。4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第6頁/共76頁第7頁/共76頁4.1.2斷口的宏觀特征

材料或構(gòu)件受力斷裂后的自然表面稱為斷口。斷口可以分為宏觀斷口和微觀斷口:

宏觀斷口指用肉眼或20倍以下的放大鏡觀察的斷口，它反映了斷口的全貌；微觀斷口是指用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡觀察的斷口。通過對斷口微觀特征的分析可以揭示材料斷裂的本質(zhì)。

4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第8頁/共76頁4.1.2斷口的宏觀特征

光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，這就是斷口特征的三要素。4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第9頁/共76頁4.1.2斷口的宏觀特征

韌性斷裂的宏觀斷口同時具有上述三個區(qū)域，而脆性斷口纖維區(qū)很小，幾乎沒有剪切唇。上述斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置會因試樣形狀、尺寸和材料的性能，以及試驗溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。一般來說，材料強度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大；試樣表面存在缺口不僅改變各區(qū)所占比例，而且裂紋形核位置將在表面產(chǎn)生。4.1斷裂分類與宏觀斷口特征

RAL第10頁/共76頁4.2.1晶體的理論斷裂強度晶體的理論斷裂強度是指將晶體原子分離開所需的最大應(yīng)力，它與晶體的彈性模數(shù)有一定關(guān)系，彈性模數(shù)表示原子間結(jié)合力的大小，只表示產(chǎn)生一定量的變形不同晶體所需要的力大小，晶體的理論斷裂強度就是這個應(yīng)力的最大值。＝

實際金屬材料，其斷裂應(yīng)力為理論的值的1/10～1/1000，潛力巨大。4.2斷裂強度

RAL第11頁/共76頁4.2.2材料的實際斷裂強度為了解釋玻璃，陶瓷等脆性材料理論斷裂強度和實際斷裂強度的巨大差別，格雷菲斯(A.A.Griffith)在1921年提出了斷裂強度的裂紋理論。這一理論的基本出發(fā)點是認(rèn)為實際材料中已經(jīng)存在裂紋，當(dāng)平均應(yīng)力還很低時，局部應(yīng)力集中已達(dá)到很高數(shù)值，從而使裂紋快速擴展并導(dǎo)致脆性斷裂。根據(jù)能量平衡原理，由于存在裂紋，系統(tǒng)彈性能降低應(yīng)該與因存在裂紋而增加的表面能相平衡。如果彈性能降低足以支付表面能增加之需要時，裂紋就會失穩(wěn)擴展引起脆性破壞。

4.2斷裂強度

RAL第12頁/共76頁4.2.2材料的實際斷裂強度

一單位厚度的無限寬薄板，對之施加一拉應(yīng)力，而后使其固定并隔絕外界能源。用無限寬板是為了消除板的自由邊界的約束。這樣，在垂直板表面的方向上可以自由位移，板處于平面應(yīng)力狀態(tài)。單位體積儲存的彈性能割開裂紋釋放的彈性能形成裂紋需要的表面功W=4a

4.2斷裂強度

RAL第13頁/共76頁4.2.2材料的實際斷裂強度系統(tǒng)總能量變化及每一項能量均與裂紋半長有關(guān)。即為有裂紋物體的實際斷裂強度，它表明，在脆性材料中，裂紋擴展所需之應(yīng)力為裂紋尺寸之函數(shù)。=

4.2斷裂強度

RAL第14頁/共76頁4.2.2材料的實際斷裂強度如外加應(yīng)力不變，而裂紋在物體服役時不斷長大，則當(dāng)裂紋長大到臨界尺寸時，也達(dá)到失穩(wěn)擴展的臨界狀態(tài)=

上述兩式只適用于薄板的情況4.2斷裂強度

RAL第15頁/共76頁4.2.2材料的實際斷裂強度=

對于厚板，應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)變=4.2斷裂強度

RAL第16頁/共76頁4.2.2材料的實際斷裂強度

具有臨界尺寸的裂紋亦稱格雷菲斯裂紋。格雷菲斯裂紋是根據(jù)熱力學(xué)原理得出斷裂發(fā)生的必要條件，但這并不是意味著事實上一定要斷裂。格雷菲斯公式只適用于脆性固體，如玻璃、金剛石、超高強度鋼等。換言之，只適用于那些裂紋尖端塑性變形可以忽略的情況。格雷菲斯缺口強度理論有效地解決了實際強度和理論強度之間的巨大差異。

4.2斷裂強度

RAL第17頁/共76頁4.3.1脆性斷裂機理

解理斷裂和沿晶斷裂是脆性斷裂的兩種主要機理。沿晶斷裂是晶界弱化造成的，而解理斷裂則與塑性變形有關(guān)。金屬材料的塑性變形是位錯運動的反映，所以解理裂紋的形成與位錯運動有關(guān)。這就是裂紋形成的位錯理論考慮問題的出發(fā)點，本節(jié)將簡要介紹幾種裂紋形成理論。

4.3脆性斷裂

RAL第18頁/共76頁4.3.1脆性斷裂機理（1）甄納－斯特羅位錯塞積理論

滑移面上的切應(yīng)力作用下，刃型位錯互相靠近。當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，塞積頭處的位錯互相擠緊聚合而成為一高為nb長為r的楔形裂紋（或孔洞位錯）。斯特羅（A.N.Stroh）指出，如果塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應(yīng)力能夠等于理論斷裂強度而形成裂紋。4.3脆性斷裂

RAL第19頁/共76頁

塞積前端處的拉應(yīng)力在與滑移面方向呈θ=70.5o時達(dá)到最大值，且近似為－滑移面上的有效切應(yīng)力；d/2－位錯源到塞積頭處之距離，亦即滑移面的距離；r－自位錯塞積頭到裂紋形成點之距離。4.3脆性斷裂

RAL第20頁/共76頁

晶體的理論斷裂強度為所以，形成裂紋的力學(xué)條件為：≥+=4.3脆性斷裂

RAL第21頁/共76頁

如r與晶面間距相當(dāng)，且E=2G(1+γ)，γ為泊松系數(shù)，則上式可寫為+=對于有第二相質(zhì)點的合金，d實際上代表質(zhì)點間距，d愈小，則材料的斷裂應(yīng)力越高。以上所述主要涉及解理裂紋的形成，并不意味著由此形成的裂紋將迅速擴展而導(dǎo)致金屬材料完全斷裂。4.3脆性斷裂

RAL第22頁/共76頁

解理斷裂過程包括：通過塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長大；以及越過晶界向相鄰晶粒擴展三個階段：4.3脆性斷裂

RAL第23頁/共76頁

解理裂紋擴展需要具備如下三個條件即：1）存在拉應(yīng)力；2）表面能較低，其值接近原子面開始分離時的數(shù)值。3）為使裂紋通過基體擴展，其長度應(yīng)大于“臨界尺寸”。柯垂?fàn)柲芰糠治龇ㄍ茖?dǎo)出解理裂紋擴展的條件為：nb＝2即為了產(chǎn)生解理裂紋，裂紋擴展時外加正應(yīng)力所作的功必須等于產(chǎn)生裂紋新表面的表面能。＝長度相當(dāng)于直徑d的裂紋擴展所需之應(yīng)力晶粒直徑減小，提高。4.3脆性斷裂

RAL第24頁/共76頁

解理裂紋可以通過兩種基本方式擴展導(dǎo)致宏觀脆性斷裂。第一種是解理方式，裂紋擴展速度較快，如脆性材料在低溫下試驗就是這種狀況。第二種方式是在裂紋前沿先形成一些微裂紋或微孔，而后通過塑性撕裂方式互相聯(lián)結(jié)，開始時裂紋擴展速度比較緩慢，但到達(dá)臨界狀態(tài)時也迅速擴展而產(chǎn)生脆性斷裂。4.3脆性斷裂

RAL第25頁/共76頁

甄納-斯特羅理論存在的問題是：在那樣大的位錯塞積下，將同時產(chǎn)生很大的切應(yīng)力集中，完全可以使相鄰晶粒內(nèi)的位錯源開動，產(chǎn)生塑性變形而將應(yīng)力松弛，使裂紋難以形成。按此模型的計算結(jié)果表明，裂紋擴展所要求的條件比形核條件低，而形核又主要取決于切應(yīng)力，與靜水壓力無關(guān)。這與實際現(xiàn)象有出入，事實表明，靜水張力促進(jìn)材料變脆，而靜水壓力則有助于塑性變形發(fā)展。4.3脆性斷裂

RAL第26頁/共76頁

（2）柯垂?fàn)栁诲e反應(yīng)理論

該理論是柯垂?fàn)枺ˋ.H.Cottrell）為了解釋晶內(nèi)解理與bcc晶體中的解理而提出的。4.3脆性斷裂

RAL第27頁/共76頁

（3）史密斯碳化物開裂模型柯垂?fàn)柲Ｐ蛷娬{(diào)拉應(yīng)力的作用，但未考慮顯微組織不均勻?qū)饫砹鸭y形成核擴展的影響，因而不適用于晶界上碳化物開裂產(chǎn)生解理裂紋的情況。史密斯（E.Smith）提出了低碳鋼中通過鐵素體塑性變形在晶界碳化物處形成解理裂紋的模型。鐵素體中的位錯源在切應(yīng)力作用下開動，位錯運動至晶界碳化物處受阻而形成塞積，在塞積頭處拉應(yīng)力作用下使碳化物開裂。4.3脆性斷裂

RAL第28頁/共76頁

碳化物開裂的力學(xué)條件為≥－碳化物開裂時的臨界有效切應(yīng)力；－碳化物的表面能

；E－彈性模數(shù)；－泊松系數(shù)；

d

－鐵素體晶粒直徑。4.3脆性斷裂

RAL第29頁/共76頁

碳化物裂紋擴展的力學(xué)條件為≥－碳化物裂紋形成并得以擴展的切應(yīng)力

；－碳化物的表面能

；E－彈性模數(shù)；－泊松系數(shù)；

d

－鐵素體晶粒直徑。4.3脆性斷裂

RAL斷裂過程為裂紋形成過程的判據(jù)第30頁/共76頁

如果斷裂過程為裂紋擴展所控制≥－擴展的臨界應(yīng)力

；－碳化物的表面能

；E－彈性模數(shù)；－泊松系數(shù)；

－碳化物厚度4.3脆性斷裂

RAL第31頁/共76頁

4.3.2脆性斷裂的微觀特征

（1）解理斷裂

解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，其微觀特征應(yīng)該是極平坦的鏡面。實際的解理斷裂斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成的，這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。在解理刻面內(nèi)部只從一個解理面發(fā)生解理破壞實際上是很少的。在多數(shù)情況下，裂紋要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，從而在同一刻面內(nèi)部出現(xiàn)解理臺階和河流花樣。河流花樣是解理臺階的一種標(biāo)志。解理臺階、河流花樣、舌狀花樣是解理斷裂的基本微觀特征。

4.3脆性斷裂

RAL解理斷裂準(zhǔn)解理沿晶斷裂第32頁/共76頁4.3脆性斷裂

RAL第33頁/共76頁4.3脆性斷裂

RAL解理臺階的形成：解理裂紋與螺型位錯相交形成；通過二次解理或撕裂形成。CD為螺型位錯；AB為解理裂紋；解理裂紋AB與螺型位錯交截后形成臺階。第34頁/共76頁4.3脆性斷裂

RAL裂紋繼續(xù)向前擴展，與許多螺型位錯相交截，便形成為數(shù)眾多的臺階。臺階沿裂紋前端滑動而相互匯合，同號臺階相互匯合長大，異號臺階匯合則相互消毀，當(dāng)匯合臺階高度足夠大時，便成為在電鏡下可以觀察到的河流花樣。河流花樣是判斷是否為解理裂紋的重要微觀依據(jù)。“河流”的流向與裂紋擴展方向一致，所以可以根據(jù)“河流”流向確定在微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴展方向，而按“河流”反方向去尋找斷裂源。第35頁/共76頁4.3脆性斷裂

RAL二次解理：二次解理是在解理裂紋擴展的兩個相互平行解理面間距較小時產(chǎn)生的，當(dāng)若解理裂紋的上下間距遠(yuǎn)大于一個原子間距時，兩解理裂紋之間的金屬會產(chǎn)生較大塑性變形，結(jié)果借塑性撕裂而形成臺階。如此形成的臺階稱為撕裂棱。第36頁/共76頁4.3脆性斷裂

RAL舌狀花樣解理斷裂的另一微觀特征是存在舌狀花樣，因其在電子顯微鏡下類似于人舌而得名。由于解理裂紋沿攣晶界擴展留下的舌頭狀凹坑或凸臺，故在匹配斷口上，“舌頭”為黑白對應(yīng)。第37頁/共76頁

（2）準(zhǔn)解理

準(zhǔn)解理不是一種獨立的斷裂機制，而是解理斷裂的變異。在許多淬火回火鋼中，在回火產(chǎn)物中有彌散細(xì)小的碳化物，它們影響裂紋形成和擴展。當(dāng)裂紋在晶粒內(nèi)擴展時，難于嚴(yán)格地沿一定晶體學(xué)平面擴展。斷裂路徑不再與晶粒位向有關(guān)，而主要與細(xì)小碳化物質(zhì)點有關(guān)。其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱準(zhǔn)解理。準(zhǔn)解理與解理的共同點是：都是穿晶斷裂；也有小解理刻面；也有臺階或撕裂棱及河流花樣。其不同點是：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面。真正解理裂紋常源于晶界（位錯運動在晶界處塞積），而準(zhǔn)解理則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點，形成從晶內(nèi)某點發(fā)源的放射狀河流花樣。4.3脆性斷裂

RAL第38頁/共76頁

（3）沿晶斷裂晶界上有脆性第二相薄膜或雜質(zhì)元素偏聚均可產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，它的最基本微觀特征是具有晶界刻面的冰糖狀形貌。在脆性第二相引起沿晶斷裂的情況下，斷裂可以從第二相與基體界面上開始，也可能通過第二相解理來進(jìn)行。此時，在晶界上可以見到網(wǎng)狀脆性第二相或第二相質(zhì)點。在雜質(zhì)元素偏聚引起晶界破壞的情況下，晶界是光滑的，看不到特殊的花樣。4.3脆性斷裂

RAL第39頁/共76頁

4.4.1韌性斷裂機理1）純剪切斷裂剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的分離斷裂。高純金屬在韌性斷裂過程中，試樣內(nèi)部不產(chǎn)生孔洞，無新界面產(chǎn)生，位錯無法從金屬內(nèi)部放出，只能從試樣表面放出，斷裂靠試樣橫截面積減到零為止，所以產(chǎn)生的斷口都呈尖錐狀。在這種純的滑移過程或延伸過程中，將產(chǎn)生極大的塑性變形。斷面收縮率幾乎達(dá)到100%。工業(yè)用鋼高溫拉伸時，由于基體屈服強度極低，不易產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生接近高純金屬的高延性效果，斷面收縮率可達(dá)90%以上，斷口形狀接近于錐尖。4.4韌性斷裂

RAL純剪切斷裂微孔聚集型斷裂第40頁/共76頁

4.4.1韌性斷裂機理2）微孔聚集型韌性斷裂微孔聚集型韌性斷裂包括微孔形成、長大、聚合、斷裂等過程。微孔是通過第二相（或夾雜物）質(zhì)點本身碎裂，或第二相（或夾雜物）與基體界面脫離而形核的，它們是金屬材料在斷裂前塑性變形進(jìn)行到一定程度時產(chǎn)生的。在第二相質(zhì)點處微孔形核的原因是：位錯引起的應(yīng)力集中；或在高應(yīng)變條件下因第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生分離。

4.4韌性斷裂

RAL第41頁/共76頁

4.4.1韌性斷裂機理微孔形核的位錯模型：（a）按繞過機制形成位錯環(huán)；（b）位錯環(huán)在外加應(yīng)力作用下堆積；（c）界面分離形成微孔；（d）、（e）位錯進(jìn)入微孔，使微孔長大；（f）、（g）考慮到位錯可以在不同滑移面上運動和堆積，則微孔可因一個或幾個滑移面上位錯運動而形成，并借其他滑移面上的位錯向該微孔運動而使其長大。4.4韌性斷裂

RAL第42頁/共76頁

4.4.1韌性斷裂機理

微孔長大同時，幾個相鄰微孔之間的基體的橫截面積不斷縮小。基體被微孔分割成無數(shù)個小單元，每個小單元可看成為一個小拉伸試樣。它們在外力作用下可能借塑性流變方式產(chǎn)生頸縮(內(nèi)頸縮)而斷裂，使微孔連接（聚合）形成微裂紋。隨后，因在裂紋尖端附近存在三向拉應(yīng)力區(qū)和集中塑性變形區(qū)，在該區(qū)又形成新的微孔。新的微孔借內(nèi)頸縮與裂紋連通，使裂紋向前推進(jìn)一定長度。如此不斷進(jìn)行下去直至最終斷裂。4.4韌性斷裂

RAL第43頁/共76頁

4.4.2韌性斷裂的微觀特征韌窩是韌性斷裂的基本特征

韌窩形狀視應(yīng)力狀態(tài)不同而異:等軸韌窩;拉長韌窩;撕裂韌窩。等軸韌窩-正應(yīng)力垂直于微孔平面，微孔在垂直于正應(yīng)力的平面上各個方向長大傾向相同;

拉長韌窩-在扭轉(zhuǎn)載荷或受雙向不等拉伸條件下，在切應(yīng)力作用形成。在拉長韌窩配對的斷口上，韌窩方向恰巧相反；拉伸試驗剪切唇部分是拋物線的拉長韌窩。

撕裂韌窩－三點彎曲斷裂韌性試樣中，裂紋在平面應(yīng)變條件下擴展時出現(xiàn)的韌窩。

4.4韌性斷裂

RAL第44頁/共76頁

4.4.2韌性斷裂的微觀特征1、第二相質(zhì)點密度增大或其間距減少，則微孔尺寸減少。2、金屬材料的塑性變形能力及其形變強化指數(shù)大小直接影響著已長成一定尺寸的微孔的連接，聚合方式。形變強化指數(shù)數(shù)值越大的材料，越難于發(fā)生內(nèi)頸縮，故微孔尺寸變小。3、應(yīng)力大小和狀態(tài)改變實際上是通過影響材料塑性變形能力而間接影響韌窩深度的。在高的靜水壓力之中，內(nèi)頸縮易于產(chǎn)生，故韌窩深度增加；相反，在多向拉伸應(yīng)力下或在缺口根部，韌窩則較淺。4.4韌性斷裂

RAL韌窩的大小的影響因素：第二相質(zhì)點的大小和深度；基體材料的塑性變形能力和形變強化指數(shù)；外加應(yīng)力的大小和狀態(tài)等。第45頁/共76頁4.6缺口效應(yīng)

4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響設(shè)一薄板上開有缺口。當(dāng)板所受拉應(yīng)力低于材料的彈性極限時，其缺口截面上的應(yīng)力分布不均勻的

彈性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布應(yīng)力集中系數(shù)。不是材料本身的性質(zhì)，其值只與缺口幾何形狀有關(guān)(曲率半徑越小，集中應(yīng)力越大)缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中——這是缺口的第一個效應(yīng)。缺口根部應(yīng)力集中有可能超過材料的屈服強度而產(chǎn)生塑性變形。塑性變形集中在缺口根部附近區(qū)域內(nèi)，且缺口愈尖，塑性變形區(qū)愈小。

RAL第46頁/共76頁

4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響開有缺口的薄板受載后，缺口根部內(nèi)側(cè)還出現(xiàn)了橫向拉應(yīng)力，它是由于材料橫向收縮所引起的。小試樣位置不同，所受拉力不同。對應(yīng)每一個

彈性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布由于板子是連續(xù)的，存在約束，所以必然產(chǎn)生X方向拉應(yīng)力。4.6缺口效應(yīng)

RAL在缺口界面上，σx分布是先增后減，這是由于x較大時，σy逐漸減少，相鄰試樣間的縱向應(yīng)力差減少，于是σx下降。第47頁/共76頁

4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響對于薄板，在垂直于板面方向可以自由變形，于是：薄板中心是兩向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài)。但在缺口根部，拉伸小試樣能夠自由收縮，橫向拉伸應(yīng)力為零，所以仍為單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。

彈性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布4.6缺口效應(yīng)

RAL第48頁/共76頁

4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響對于厚板，垂直板厚方向的變形受到約束，在缺口根部為兩向應(yīng)力狀態(tài)，故所以缺口內(nèi)側(cè)為三向應(yīng)力狀態(tài)，這種三向應(yīng)力狀態(tài)是缺口試樣或有缺口的機件，構(gòu)件早期脆斷的主要原因。

彈性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布缺口的第二個效應(yīng)是改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使平板中材料所受的應(yīng)力由原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶臁?.6缺口效應(yīng)

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4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響

對于塑性金屬材料，若缺口前方產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并且隨著載荷增加，塑性區(qū)逐漸擴大，直至整個截面上都產(chǎn)生塑性變形。以厚板為例，根據(jù)屈雷斯加判據(jù)：在缺口根部所以

塑性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布4.6缺口效應(yīng)

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4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響當(dāng)外加載荷增加時，也隨之增加，缺口根部最先滿足屈服條件而開始屈服。一旦根部屈服，則即松弛而降低到屈服點。在缺口內(nèi)側(cè)，，要滿足屈服條件必須增加縱向應(yīng)力，即心部屈服要在縱向應(yīng)力不斷增加的情況下才能產(chǎn)生。屈服變形將自表面向心部擴展。

σy，σz隨σx快速增加而增加(因σy＝σx+σs，σz＝ν(σx＋σy))，且塑性變形時，σy引起的橫向收縮約比彈性變形時大1倍，需要較高σx值才能維持連續(xù)變形，一直增加到塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處為止。因此，當(dāng)缺口前方產(chǎn)生了塑性變形后，最大應(yīng)力已不在缺口根部，而在其前方一定距離處，該處σx最大，所以σy,σs也最大。越過交界后，彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布與上面所述彈性變形階段的應(yīng)力分布稍有區(qū)別，σx是連續(xù)下降的。顯然，隨塑性變形逐步向內(nèi)轉(zhuǎn)移，各應(yīng)力峰值越來越高，它們的位置也逐步移向中心。可以預(yù)料，在試樣中心區(qū)，σy最大。

塑性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布4.6缺口效應(yīng)

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4.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響

有缺口時，由于出現(xiàn)了三向應(yīng)力，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時高，產(chǎn)生了所謂“缺口強化”現(xiàn)象。由于此時材料本身的σs值(注意σs是用光滑試樣測得的拉伸屈服極限)未變，故“缺口強化”純粹是由于三向應(yīng)力約束了塑性變形所致，如同頸縮造成的幾何強化一樣。因而不能把“缺口強化”看作強化金屬材料的手段。缺口強化只有對相同凈截面的光滑試樣才能觀察到。在有缺口時，塑性材料的強度極限也因塑性變形受約束而增加。雖然缺口提高塑性材料的屈服強度，但因缺口約束塑性變形，故缺口使塑性降低。脆性材料或低塑性材料缺口試樣拉伸常常是直接由彈性狀態(tài)過渡到斷裂，很難通過缺口前方極有限的塑性變形使應(yīng)力重新分布。所以脆性材料缺口試樣的強度比光滑試樣的低。缺口使塑性材料得到強化，這是缺口的第三個效應(yīng)。

塑性應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布4.6缺口效應(yīng)

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4.6.2缺口敏感性及其表示方法

對于金屬材料來說，缺口總是降低塑性，增大脆性。金屬材料存在缺口而造成三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中，由此而使材料產(chǎn)生變脆的傾向，這種效果稱為缺口敏感性。一般采用缺口試樣力學(xué)性能試驗來評價材料的缺口敏感性。常用的缺口試樣力學(xué)性能試驗方法有缺口靜拉伸和缺口偏斜拉伸、缺口靜彎曲等。4.6缺口效應(yīng)

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4.6.2缺口敏感性及其表示方法

缺口試樣靜拉伸試驗用于測定拉伸條件下金屬材料對缺口的敏感性。試驗時常用缺口試樣的抗拉強度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度的比值作為材料的缺口敏感性指標(biāo)，并稱為缺口敏感度，用或NSR(NotchSensitivityRatio)表示

比值qe越大，缺口敏感性越小。脆性材料的qe永遠(yuǎn)小于1，表明缺口處尚未發(fā)生明顯塑性變形時就已經(jīng)脆性斷裂。高強度材料qe一般也小于1。對于塑性材料，若缺口不太尖，有可能產(chǎn)生塑性變形時，qe總大于1。4.6缺口效應(yīng)

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4.6.2缺口敏感性及其表示方法

缺口彎曲試驗也可以顯示材料的缺口敏感性。由于缺口和彎曲引起的不均勻性疊加，所以缺口彎曲較缺口拉伸應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻性要大。這種方法一般根據(jù)斷裂時的殘余撓度或彎曲破斷點（裂紋出現(xiàn)）的位置評定材料的缺口敏感性。金屬材料的缺口敏感性除和材料本身性能，應(yīng)力狀態(tài)(加載方式)有關(guān)外，還與缺口形狀和尺寸，試驗溫度有關(guān)。缺口尖端曲率半徑越小，缺口越深，材料對缺口的敏感性也越大。缺口類型相同，增加試樣截面尺寸，缺口敏感性也增加，這是由于尺寸較大試驗彈性能儲存較高所致。降低溫度，尤其對bcc金屬，缺口敏感性急劇增大。因此，不同材料的缺口敏感性應(yīng)在相同條件下對比。4.6缺口效應(yīng)

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4.6.3缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性

在沖擊載荷下，由于加載速率大，變形條件更為苛刻，塑性變形得不到充分發(fā)展，所以沖擊試驗更能靈敏地反映材料的變脆傾向。常用的缺口試樣沖擊試驗是沖擊彎曲。4.6缺口效應(yīng)

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4.6.3缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性

試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進(jìn)行的。將試樣水平放在試驗機支座上，缺口位于沖擊相背方向，并用樣板使缺口位于支座中間。然后將具有一定重量擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定位能GH1。釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為GH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能為GH1-GH2，此即為試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊功。根據(jù)試樣缺口形狀不同，沖擊功分別為AKV和AKU。AKV(AKU)＝G(H1－H2)，單位為J。AKV亦有用CVN或CV表示的。用試樣缺口處截面積FN(cm2)去除AKV(AKU)，即得到?jīng)_擊韌性或沖擊功aKV(aKU)aKV(aKU)=AKV(AKU)/FN通常，aKV(aKU)的單位為J/cm2。4.6缺口效應(yīng)

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4.6.3缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性

aKV(aKU)是一個綜合性的材料力學(xué)性能指標(biāo)，與材料的強度和塑性有關(guān)。AKV(AKU)也可以表示材料的變脆傾向，但AKV(AKU)并非完全用于試樣變形和破壞，其中有一部分消耗于試樣擲出、機身振動、空氣阻力以及軸承與測量機構(gòu)中的摩擦消耗等。材料在一般擺錘沖擊試驗機上試驗時，這些功是忽略不計的。但當(dāng)擺錘軸線與缺口中心線不一致時，上述功耗比較大。所以，在不同試驗機上測定的AKV(AKU)值彼此可能相差較大。此外，根據(jù)斷裂理論，斷裂類型取決于斷裂擴展過程中所消耗的功。消耗功大，則斷裂表現(xiàn)為韌性的；反之，則為脆性的。4.6缺口效應(yīng)

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4.6.3缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性

在擺捶沖擊試驗機上附加一套示波裝置，利用粘貼在測力刀口兩側(cè)的電阻應(yīng)變片作為載荷感受元件，可以記錄材料在沖擊載荷下的載荷－撓度（或載荷－時間）曲線，在曲線所包圍的面積中只有斷裂區(qū)的面積才表示裂紋擴展所消耗的功，亦即才能顯示材料的韌性性質(zhì)。

除了擺捶試驗法之外，落捶試驗法也是目前應(yīng)用較多的測試材料動態(tài)性能的試驗方法。落捶試驗法一般用于測試一些厚鋼板構(gòu)件的沖擊性能，試驗采用比標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣尺寸大一些的試樣，由于沖擊功大的關(guān)系，所以需要落捶試驗法。對于一些在特殊環(huán)境下使用的材料有時還采用撕裂試驗法進(jìn)行低溫韌性的評定。4.6缺口效應(yīng)

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4.6缺口效應(yīng)

RAL在擺捶沖擊試驗機上附加一套示波裝置，可以記錄材料在沖擊載荷下的載荷－撓度（或載荷－時間）曲線，在曲線所包圍的面積中只有斷裂區(qū)的面積才表示裂紋擴展所消耗的功，亦即才能顯示材料的韌性性質(zhì)。第60頁/共76頁

4.7.1材料的低溫脆性現(xiàn)象

當(dāng)試驗溫度低于某一溫度Tk

時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊值明顯下降，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫恚@就是材料的低溫脆性，轉(zhuǎn)變溫度Tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變臨界溫度，也稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫脆性對壓力容器，橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫下服役的機件安全是非常重要的。4.7材料的低溫脆性

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4.7.1材料的低溫脆性現(xiàn)象

任何金屬材料都有屈服強度和斷裂強度兩個強度指標(biāo)。斷裂強度σc隨溫度變化很小，因為熱激活對裂紋擴展的力學(xué)條件沒有顯著作用。但屈服強度σs卻對溫度變化十分敏感。溫度降低，屈服強度急劇升高，故兩曲線相交于一點，交點對應(yīng)的溫度即為TK。溫度高于TK

時，σc>σs，材料受載后，先屈服再斷裂，為韌性斷裂；溫度低于TK時，外加應(yīng)力先達(dá)到σc，材料表現(xiàn)為脆性斷裂。4.7材料的低溫脆性

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4.7.1材料的低溫脆性現(xiàn)象

4.7材料的低溫脆性

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4.7.1

材料的低溫脆性現(xiàn)象

沖擊試樣斷口存在纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)。裂紋源位于缺口根部中間稍離缺口表面處，塑性較好的材料，裂紋通常沿兩側(cè)和深度方向穩(wěn)態(tài)擴展，且中央部分較深，構(gòu)成腳跟形的纖維狀區(qū)域。

然后失穩(wěn)擴展而呈現(xiàn)出放射區(qū)，由于試樣開有缺口的一側(cè)受張應(yīng)力，不開口的另一側(cè)受壓應(yīng)力，所以放射區(qū)在從受張應(yīng)力區(qū)進(jìn)入受壓應(yīng)力區(qū)時將會消失，而出現(xiàn)二次纖維區(qū)，所以在放射區(qū)兩頭同時存在纖維區(qū)的斷口形貌。如果材料的塑性很好，則放射區(qū)將完全消失，整個斷面上只存在纖維區(qū)和剪切唇。反之，如果材料的塑性很差，則受壓應(yīng)力側(cè)的塑性變形區(qū)很小，二次纖維區(qū)消失，代之以放射區(qū)，但可以看到，新的放射區(qū)與先前的放射區(qū)將不在同一水平面上，呈現(xiàn)出高度差。4.7材料的低溫脆性

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4.7.2材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

韌性是金屬材料塑性變形和斷裂全過程吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。根據(jù)試樣斷裂過程消耗的功及斷裂后塑性變形的大小均可以確定Tk。斷口形貌反映材料的斷裂本質(zhì)，也可用來表示韌性，觀察分析不同溫度下的斷口形貌也可以求得Tk。目前尚無簡單的判據(jù)求韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk。通常根據(jù)能量，塑性變形和斷口形貌隨溫度的變化定義Tk。為此，需要在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗，根據(jù)試驗結(jié)果作出沖擊功－溫度曲線，斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線，試樣斷裂后塑性變形量和溫度的關(guān)系曲線，根據(jù)這些曲線求Tk。4.7材料的低溫脆性

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4.7.2材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

以AkV(CVN)=20.3J(15英尺磅)對應(yīng)的溫度作為Tk，并記為V15TT；以低階能開始上升的溫度定義為Tk，并記為NDT（NilDuctilityTemperature），稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度；以高階能對應(yīng)的溫度為Tk，記為FTP(FractureTransitionPlastic)；以低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度FTE（FractureTransitionElastic）定義Tk；

50％FATT

或FATT50。

4.7材料的低溫脆性

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4.7.2材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

4.7材料的低溫脆性

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4.7.3影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素

化學(xué)成分：間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，因與位錯有交互作用而偏聚于位錯線附近形成柯氏氣團，既增加，又使增加，致升高，所以鋼的脆性增大。

置換型溶質(zhì)元素對韌性影響不明顯。鋼中加入置換型溶質(zhì)元素一般也降低高階能，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度。雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb等使鋼的韌性下降。這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應(yīng)力所致。4.7材料的低溫脆性

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4.7.3影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素

顯微組織：細(xì)化晶粒使材料韌性增加。

研究發(fā)現(xiàn)，不僅鐵素體晶粒大小和韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間呈線性關(guān)系，而且馬氏體板條束寬度，上貝氏體鐵素體板條束，原始奧氏體晶粒尺寸和韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間也呈