金属在冲击载荷下的力学性能.ppt

1/29,第三章 金属在冲击载荷下的力学性能,冲击：以很大的速度将负荷作用到机器零件上去的一种加载方式。,2/29,一、冲击失效的特点 (1) 包括弹性变形，塑性变形，断裂； (2) 吸收的冲击能测不准； 时间短；通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 (3) 变形速度对金属材料的弹性行为及弹性模量无影响；,3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,3/29,(4) 冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高； (5) 塑性变形的不均匀增加，尤其是多晶体金属塑性变形往往集中在某些晶粒内。 原因：冲击瞬间位错运动的应力许多位错源同时开动位错密度 派纳力滑移的临界切应力，满足条件的晶粒少。,4/29,希望测得冲击载荷下的变形抗力、变形能力，即动屈服点、动伸长率等难 将冲击载荷作为能量载荷处理测定材料承受冲击能量的能力。 冲击韧性指的是材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。常用标准试样的冲击吸收功Ak来表示。,3.2 冲击弯曲和冲击韧性,5/29,一、冲击弯曲试验(冲击韧性试验) 韧性材料，开缺口：夏比U型缺口和V型缺口。 脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具钢等。 标准试样尺寸：10mm10mm55mm。,6/29,7/29,二、冲击吸收功和冲击韧度 1、冲击吸收功 Ak 为冲断试样过程中所消耗的功。 2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)ak,8/29,3、讨论 (1) 通常将Ak 、ak作为衡量材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，Ak 、ak值越大，材料的韧性越好。 (2) 无论Ak还是ak均不能完全真正反映材料的韧脆程度。 Ak试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动功 弹性变形功Ae+塑性变形功Ap+断裂功Ad。,对韧性有贡献。,9/29,(3) ak物理意义不明确 除了与材料本性有关外，很大程度上取决于参加塑性变形的体积而不仅仅是缺口(折断处)的原始截面积； 另外，对于有缺口试样，由于缺口截面上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak是一个纯数学量。 直接用Ak更有意义。,10/29,(4) Ak 、ak不能真实反映一般零件承受上千万次冲击载荷的能力 只有承受大能量冲击的零件，如炮弹，装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大部分零件的工作状态还承受小能量多次重复冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。,11/29,三、冲击弯曲试验用途 1、能反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量ak对材料品质、宏观缺陷、显微组织敏感； 2、根据冲击试验得到Ak(ak)T曲线，测定材料的韧脆转变温度，从而可以评定材料的低温脆性倾向； 3、对s大致相同的材料，根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。,12/29,一、低温脆性(冷脆)现象 1、低温脆性及韧脆转变温度 金属或合金，当温度低于某一温度tk时，Ak明显，转变为脆性状态，该现象称为低温脆性(冷脆)。多为bcc、hcp结构。 韧脆转变温度tk：冲击韧性显著下降的温度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。,3.3 低温脆性,13/29,2、低温脆性(冷脆)的物理本质 材料的屈服强度随温度降低急剧增加，而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小，两者相交于tk。,图3-1 屈服强度和解理断裂强度随温度的变化,14/29,当ttk时，cs，随外力，先屈服，后断裂韧性断裂。 当ttk时，cs，外加应力先达到c，(屈服的同时发生断裂)为脆性断裂。 可见 凡是使c的因素，都使tk有利。 凡是使s的因素，都使tk不利。,15/29,二、韧脆转变温度的确定 由于韧性是强度、塑性的综合表现，故可用断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小、断口形貌等确定tk 。 1、按能量定义tk (1) 以低阶能定义tk，NDT (nil ductility temperature)无塑性或零塑性转变温度。 低于NDT，断口由100%结晶区组成。,16/29,图3-2 各种韧脆转变温度判据,17/29,(2) 以高阶能定义tk，FTP(fracture transition plastic) 高于FTP ，断口由100%纤维区组成。 (3) 以低阶能和高阶能平均值来定义tk：FTE (fracture transition elastic),18/29,2、按断口形貌定义tk的方法 冲击试样断口一般也存在三个区：纤维区、放射区、剪切唇。,图3-3 冲击断口形貌示意图,19/29,通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk。并记为50%FATT(fracture appearance transition temperature)或FATT50、t50。 优点：反应了裂纹扩展变化的特征，与断裂韧度KIC急剧变化的温度较好对应。 缺点：测量受人为影响较大。,20/29,3、韧脆转变温度的意义 (1) tk也是材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性的影响。 (2) tk与、Ak(ak)、NSR一样，也是安全性指标，从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。 (3) 对于低温下服役的机件，依据tk可以直接或间接地估计它们的最低使用温度。,21/29,(4) 机件的最低使用温度必须高于tk，两者之差越大越安全。 t0-tk称为韧性温度储备。通常tk为负值，t0应高于tk，所以为正值。一般取4060。,22/29,注意 (1) 由于定义方法不同，同一材料所得到的tk不同； (2) 同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率发生变化，tk也发生变化。 (3) 在一定条件下，用试样测得的tk，因和实际结构工况无直接联系，不能说明该材料构成的机件一定在该温度下脆断。,23/29,一、晶体结构的影响 1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。 2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般不存在低温脆性。 3、普通中、低强度钢的基体为bcc的F，所以均具有明显的低温脆性。,3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素,24/29,bcc与fcc冷脆差异的原因 (1) t，bcc中P-N，s，tk，所以变脆。 (2) fcc中，P-N对t不敏感，s随温度变化小，所以一般无冷脆或冷脆温度极低。 韧性是强度与塑性两者的函数，但塑性的影响大于强度。 强度、塑性均，韧性：细化晶粒。 强度、塑性，韧性：第二相强化。,25/29,二、化学成分 (1) 间隙原子，使韧性降低，提高其韧脆转变温度。 (2) 钢中的置换原子，一般提高韧脆转变温度，降低韧性。但Ni和Mn例外。 (3) 杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性，提高韧脆转变温度。,26/29,三、显微组织的影响 1、晶粒大小的影响 晶粒尺寸，亚晶尺寸，胞状结构尺寸，使Ak，ak，tk。,27/29,细化晶粒提高韧性的原因 (1) 晶界是裂纹扩展的阻力。d，阻力，脆性。 (2) d，位错塞积群长度，应力集中，不易产生解理裂纹，脆性。 (3) d，晶粒中心与边缘变形的不均匀性，不易产生裂纹，脆性。 (4) 晶界总面积增加，杂质浓度减少，避免产生沿晶脆断。,28/29,2、金相组织的影响 (1) 单相的Ak高于复相合金。 特殊：高碳回火马氏体中分布少量残余奥氏体冲击性能较高，韧脆转变温度低。 (2) 第二相越细小，均匀分布，Ak，韧脆转变温度低。