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第六章 切口强度与切口冲击韧性. 6.1 前言 1 、广义的 “ 切口 ” 切口的存在造成：应力应变集中和多向性。 二战事故分析的结论： ①脆断钢板，其夏比 V 型切口试件冲击值 AKV 在 10℃ 时低于 15ft.lbf(20.34N.m) ； ②韧性钢板，其 AKV 值在 10℃ 时高于 15ft.lbf 。. 2 、切口强度 ：. 用带切口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力 ( 净断面平均应力 ) ， 记为 σ bN ，. 3 、切口敏感性. 切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比 NSR ： NSR= σ bN ／ σ b
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6.1 前言 • 1、广义的“切口” • 切口的存在造成：应力应变集中和多向性。 • 二战事故分析的结论： • ①脆断钢板，其夏比V型切口试件冲击值AKV在10℃时低于15ft.lbf(20.34N.m)； • ②韧性钢板，其AKV值在10℃时高于15ft.lbf。
2、切口强度： 用带切口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力(净断面平均应力)， 记为σbN，
3、切口敏感性 切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比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[60]。
6.2 局部应力与局部应变 一受拉伸裁荷的薄板，其中的应力分布是均 匀的。若在板的中心钻一圆孔，则在孔的周围应力分布发生了很大的变化如图6-1所示； 在孔的边缘，拉应力最大，离孔边越远，应力越小。最后趋近于净断面平均应力，即名义应力σn。 应力集中系数 Kt 的定义： Kt=σmax/σn。
6.3 切口强度的实验测定 切口强度通常用切口圆柱试件(见图6-5(a))或双切口平板试件(见图6-5(b))，进行拉伸试验予以测定。 切口几何的三个主要参数为： 切口深度t、切口根部的曲率半径、切口张角 切口强度：切口试件拉伸断裂最大载荷，除以切口处的净断面积。 切口断面收缩率，称为切口塑性(Notch Ductility)。
6.5 切口强度的估算 6.5.1 切口根部裂纹形成准则 切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口根部形成裂纹，形成于切口根裂纹的亚临界扩展，当裂纹达到临界尺寸时发生断裂。裂纹在切口根部形成，可以假定是由切口根部材料元的断裂引起的，如图6-7所示。 图6-7 零件中的切口根部塑性区（1）和材料元（2）
(1) 脆性材料----脆性材料遵循正应力断裂准则。 Ktσni=σf (6-13) 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。 Ktσni=（Eσfεf）1/2 (6-14) 公式(6-14）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(6-14)的力学意义是：当切口根部虚拟的弹性应力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，切口根部裂纹形成准则为 Ktσni=0.64（Eσfεf）1/2 (6-15) 比较公式(6-14)和(6-15)，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％。
切口敏感度系数： 切口强度比： 切口敏感度系数： 当 Kt<KbN，NSR>1.0；当Kt>KbN，NSR<1.0
6.7 切口冲击韧性 6.7.1 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。●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；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。且有弹性和塑性。 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。
6.7.2 切口冲击韧性的测定 常用的冲击试验原理如图6-9所示。
试验：质量m的摆锤，举至高度H 势能mgH1； 锤释放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以Ak表示。 剩余的能量使摆锤扬起高度H2，故剩余的能量即为mgH2。 Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2) (6-22) Ak的单位为Kgf.m或J。
图6-9 摆锤冲击试验原理示意图 切口为U型： 冲击韧性值： aKU=Ak/An Ak 冲击功， AN净断面积。 V型切口：冲击韧性值：aKV = AK /An。
6.7.3 切口冲击韧性的意义及应用 切口试什的断裂可能经历三个阶段：裂纹在切口根部形成，裂纹的亚临界扩展和最终断裂。 切口试件的冲击断裂可能要吸收三部分能量： 裂纹形成能、亚临界扩展能、断裂能。 具体用途有： ①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量，通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣、气泡、偏析、严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；
②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度； ③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： ④评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
6.8 低温脆性 金属材料的强度一般均随温度的降低而升高，而塑性则相反。 一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低到零而变为脆性状态。这种现象称为低温脆性。
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率问题。低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率问题。 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σf，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的； 而在Tc以上，σs<σf，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按一定的方法确定韧脆转化温度。 能量法：有下列几种： (1)以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N M)对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。 实践经验总结而提出的方法. (2)图6-12中的曲线有两个平台。上平台所对应的能量称为高阶能，下平台所对应的能量称为低阶能。将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度，记为NDT称为零塑性温度。在NDT以下，试件的断口为100％的结晶状断。
(3)将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。记为FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温度高于FTP，试件的断口为100％的纤维状断口。 图6-12 各种确定韧脆转化温度的方法及所确定的韧-脆转化温度 (4)高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化温度，记为FTT(Fracture Transition Temperature)．
断口形貌法 断口上有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇。 在不同的温度下,上述三个区的相对面积是不同的； 结晶区的面积随温度的变化，结晶区面积百分比的增大,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占50％时的温度为韧脆转化温度，记为50％FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)。 在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧-脆转化温度。这是韧性的温度储备。韧性温度储备的大小取决于机件的重要程度。
影响因素： 钢的成分、组织和冶金质量。 a.降低钢中的碳、磷含量；细化晶粒，热处理成低碳马氏体和回火素氏体，可提高高阶能； b.增加钢中碳、磷、氧含量，Si、Al含量超过一定值以及应变时效等，降低高阶能；形成上贝氏体以及应变时效，均提高韧脆转化温度； c.增加镍含量，细化晶粒，形成低碳马氏体和回火索氏体，消除回火脆性等，将降低韧脆转化温度； d.增加钢中镍、铜含量，有利于提高低阶能．
