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影响脆性断裂的主要原因分析

【摘要】:在三轴应力拉伸时,最大的应力可能超出单轴屈服应力,形成很高的局部应力而材料尚不发生屈服,其结果使材料的塑性降低,进而使该处材料变脆。图12-17 缺口根部应力分布示意图2.温度的影响对于一定的应力状态,当温度降至某一临界值时,将出现塑性到脆性断裂的转变。

1.应力状态的影响

结构受均匀拉应力时,在缺口根部会出现高应力和应力集中,存在的缺口越深、越尖,其局部应力应变也越大,如图12-17所示。

在受力过程中,缺口根部材料伸长,必然会引起此处材料沿宽度和厚度方向的收缩,而这个横向收缩值又不均,由于缺口尖端以外的材料受到的应力较小,缺口根部受到的应力最大,在缺口根部产生横向和厚度方向的拉应力,形成在缺口根部产生三轴拉应力。在三轴应力拉伸时,最大的应力可能超出单轴屈服应力,形成很高的局部应力而材料尚不发生屈服,其结果使材料的塑性降低,进而使该处材料变脆。这说明脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。

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图12-17 缺口根部应力分布示意图

2.温度的影响

对于一定的应力状态,当温度降至某一临界值时,将出现塑性到脆性断裂的转变。这个温度称之为转变温度。转变温度随着最大切应力与最大正应力之比值的降低而提高。所以,随着温度的降低,它们的破坏也发生变化,即从塑性破坏变为脆性破坏。

3.加载速度的影响

从实验得知,提高加载速度能促使材料的脆性破坏,其作用相当于降低温度,原因是钢的剪切屈服强度,不仅取决于温度,而且还取决于加载速度。

4.材料状态的影响

材料本身的状态对其塑性、脆性也有重要影响,其影响如下:

(1)厚度的影响

1)厚板在缺口处容易形成三轴拉应力,因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制,形成了平面应变状态;当板较薄时,材料在厚度方向能较自由地收缩,故厚度方向的应力较小,接近于平面应力状态。所以,平面应变的三轴应力使材料变脆。

2)一般说来,薄钢板轧制温度较低,压延量较大,金属组织细密,韧性比厚钢板好;而厚钢板由于轧制的次数少,轧制终结温度较高,所以厚钢板组织疏松,韧性比薄板差些。

(2)晶粒度的影响 低碳钢和低合金钢的晶粒度,对钢的脆性-塑性转变温度有很大的影响,即晶粒越细,其转变温度越低。

(3)化学成分的影响 如果钢中含有C、N、O、H、S、P等元素时,则将增加钢的脆性;而钢中含有适量的Mn、Ni、Cr、V等合金元素,将有助于减少钢的脆性。