应力状态柔度系数的研究及其应用

在复杂的应力状态下，切应力和正应力分量对变形和断裂所起的作用是不同的。切应力使位错滑移，从而使材料产生塑性变形。位错在障碍物前的塞积则既可能激活位错源，引起新的塑性变形，又可能引起裂纹的萌生和发展。概括地讲，切应力会促进塑性变形产生和导致韧性断裂，拉伸应力则会导致脆性断裂。因此研究金属在复杂应力状态下是发生脆性断裂还是发生韧性断裂，需要研究切应力和正应力的相对大小。复杂应力状态的柔度系数（或称为软性系数）定义为

式中：τmax为最大切应力，τmax=（σ1-σ3）/2；σmax为按最大正应变条件计算得到的等效最大应力σmax=σ1-μ（σ2+σ3）。

一般来说：α值越大，材料越易变形而不易开裂，即处于韧性状态；反过来，α值越小，则越易产生脆性断裂。

表6-4中列出了几种典型加载方式下的柔度系数α的值。在三向等拉伸时，因为切应力分量为零，因而材料不易产生塑性变形，而易发生脆性断裂；单向压缩或多向压缩时，α≥1，材料处在一种柔度较大的应力状态。一个比较典型的实例是，当用某种压头在工件表面测布氏硬度时，其应力状态相当于三向不等压缩（α＞2），属于“软”应力状态。因此，在单向拉伸时呈现脆性的灰铸铁，在测硬度时却处于韧性状态，其表面可产生明显压痕而不断裂。

表6-4　不同加载方式下的柔度系数α的值（μ=0.25）［11］(www.xing528.com)

图6-19所示为中碳钢V形缺口试样的冲击试验断面照片，缺口根部有韧窝，在与根部有一定距离的位置处，由于强三轴应力效果，试样发生准解理断裂。这种韧-脆转变非常普遍。

图6-19　中碳钢V形缺口试样的冲击试验断面照片［3］

对缺口试样进行冲击试验，既可利用高应变速度的影响，又可利用缺口效应（应力约束），这两者均可使转变温度右移。与光滑试样相比，缺口试样能在较高的温度下发生急剧的韧-脆转变，这就非常便于评估材料的韧-脆转变特性。