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。
N
bN
A
P m a x
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。
图 6-1 受拉伸的中心圆孔扳
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)
。
图 6-5 切口试件与切口几何图 6-7 零件中的切口根部塑性区（ 1）和材料元（ 2）
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。
(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,
btffbn KEN S R //
切口强度比：
切口敏感度系数：
bfftbN EKN S RK /
当 Kt<KbN,NSR>1.0；当 Kt>KbN,NSR<1.0
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。
6.7 切口冲击韧性
6.7.1 冲击载荷的 特点
● 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。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。
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；
具体用途有：
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 。
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。
图 6-11 金属的强度和塑性随温度的变化 [12]
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。
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)．
(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。
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。
图 6-13 冲击断口形貌示意图影响因素：
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．
本章完
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。
N
bN
A
P m a x
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。
图 6-1 受拉伸的中心圆孔扳
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)
。
图 6-5 切口试件与切口几何图 6-7 零件中的切口根部塑性区（ 1）和材料元（ 2）
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。
(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,
btffbn KEN S R //
切口强度比：
切口敏感度系数：
bfftbN EKN S RK /
当 Kt<KbN,NSR>1.0；当 Kt>KbN,NSR<1.0
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。
6.7 切口冲击韧性
6.7.1 冲击载荷的 特点
● 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。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。
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；
具体用途有：
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 。
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。
图 6-11 金属的强度和塑性随温度的变化 [12]
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。
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)．
(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。
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。
图 6-13 冲击断口形貌示意图影响因素：
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．
本章完
