材料性能学-第3章

1材料性能学2第三章材料的冲击韧性

及低温脆性3.1材料在冲击载荷下的力学性能3.2材料的低温脆性33.1材料在冲击载荷下的力学性能3.1.1前言

高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷。

许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用，如飞机起落、内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连杆使活塞和连杆间发生冲击，及金属件的冲压和锻造加工等。

生产上用冲击载荷来实现静载荷难以实现的效果，如凿岩机(6~8m/s)、穿甲弹(1.5~2.0km/s)等。

因此需要评定材料在冲击载荷作用下的力学行为。43.1.2加载速率与应变速率

加载速率是指载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。变形速率是单位时间内的变形量。变形速率有两种表示方法：

变形速率：式中，l是试样长度，t是时间。

单位时间内应变的变化量，称为应变速率，用表示：

式中，ε为试样的真应变。5

静拉伸试验的应变率为10-5~10-2s-1，冲击试验的应变率为102~104s-1。此外，还有应变率处于10-2~102s-1的中等应变速率试验，如落锤、旋转飞轮等。

当应变率大于10-2s-1时，材料的力学性能将发生显著变化。63.1.3冲击载荷的能量性质

在冲击载荷下，由于它本身是冲击功，必须测量载荷作用的时间及载荷在作用瞬间的速度变化情况，才能按公式计算出作用力F，这些数据是很难准确测量的，并且在作用时间内，F是一个变力。因此，总是把冲击载荷作为能量而不是作为力来处理，故冲击载荷具有能量的性质。73.1.4冲击载荷下材料变形与断裂的特点

在冲击载荷作用下，零件的变形与破坏过程与静载荷一样，仍分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。所不同的只是由于加载速度的不同，对这三个阶段产生了不同的影响。

应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响

弹性变形是以声速在介质中传播的（如在钢中为4982m/s），而普通冲击试验时变形速度只有5~5.5m/s，高速冲击试验的变形速度也在103m/s以下。8

对塑性变形，随加载速度的增加，塑性形变来不及充分进行，这就表现为弹性极限、屈服强度等微量塑性变形抗力的提高。同时还发现塑性变形是极不均匀的。

冲击载荷对塑性和韧性的影响比较复杂，当材料在冲击载荷下，材料以正断方式断裂时，塑性和韧性显著下降；而以切断方式断裂时，塑性和韧性变化不大，有时还会有所增加。93.1.5缺口试样的冲击试验和冲击韧性

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK

表示。用于冲击试验的标准试样常为10mm×10mm×55mm的U型或V型缺口试样，分别称为夏比(Charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样。习惯上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试样。另外，对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料，冲击试验常采用无缺口试样。10

试样开缺口的目的是为了使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。缺口愈深、愈尖锐，冲击吸收功愈低，材料的脆化倾向愈严重。图3-1冲击试样的安放11图3-2冲击试验的原理图

冲击吸收功

冲击韧度

用试样缺口处的截面积SN(cm2)去除AKV(AKU)，即可得到试样的冲击韧度或冲击值αKV(αKU)。12αKV(αKU)是一个综合性的力学性能指标，不仅与材料的强度和塑性有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对αK值产生很大的影响。因此，αK只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算，单位为J/cm2。133.1.6冲击试样断裂过程分析

在冲击试验所得到的冲击功AKU

和AKV

中，包括试样在冲击断裂过程中吸收的弹性变形功、塑性变形功和裂纹形成及扩展功等。简单的冲击试验不能将这些不同阶段消耗的功区分开来，因此，冲击功只能是一种混合的韧性指标，在设计中不能定量使用。14图3-3缺口冲击试样的载荷—挠度曲线

按照断裂过程的特点，可将试样的冲击功分为弹性变形功Ae

，塑性变形、形变强化以及裂纹形成等过程吸收的功AP，裂纹扩展功Ad。

材料不同、试样形状不同，载荷变形曲线中冲击功各部分所占的比例也不同，其物理意义相差很大。15图3-4三种典型的冲击载荷—位移曲线

相同冲击值的不同材料，其冲击值的物理意义可以相差很大。①强度高、塑性低、无裂纹扩展功，说明裂纹难以形成，但却极易失稳扩展。②强度较高，裂纹难以形成，且具有一定抗裂纹扩展能力。③强度低并具有较大抵御裂纹扩展能力。16表3-1缺口形式对某低合金钢冲击功的影响缺口形式U型缺口V型缺口预制裂纹冲击韧度，J/cm2682810

缺口的形式对冲击功的数值有很大影响。缺口越尖锐，试样的冲击功越小。

因此，进行缺口试验时应根据材料的韧性情况，选择合适的缺口。韧性很高的材料，应选尖锐的缺口试样；低韧性材料，应选用钝缺口试样，甚至不开缺口。173.1.7冲击试验的应用

σs、σb、δ、ψ和Ak

被称为材料常规力学性能的五大力学性能指标。缺口冲击弯曲试验主要用于揭示材料的变脆倾向：用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。根据系列冲击试验(低温冲击试验)评定材料的冷脆倾向，供选材时参考或用于抗脆断设计。18

对于σs大致相同的材料，用AKV(AKU)可以评定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。利用CharpyV缺口冲击试验试样尺寸小、加工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立冲击功与其他力学性能指标间的联系，代替较复杂的试验如平面应变断裂韧性KIC。193.2材料的低温脆性

寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故，约为总事故的30~40%。3.2.1低温脆性现象

材料因温度的降低由韧性断裂转变为脆性断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性或冷脆。转变温度tK称为韧脆或冷脆转变温度。低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件是非常重要的。20材料的冷脆可归为三种类型fcc金属及其合金，冲击韧性很高；温度降低时冲击韧性的变化不大，不会导致脆性破坏；可认为无低温脆性现象。高强度bcc合金，室温下的冲击韧性就很低，当材料内有裂纹存在时，可在任何温度和应变速率发生脆性破坏；即材料较脆，韧脆转变现象也不明显。低、中强度bcc金属以及Be、Zn等合金，冲击韧性对温度很敏感，称为冷脆材料。图3-53类不同冷脆倾向的材料213.2.2低温脆性的本质

低温脆性是材料屈服强度随温度下降急剧增加的结果。材料的σs随温度下降升高较快，但其σf却随温度的变化较小，因为热激活对裂纹扩展的力学条件没有显著作用。

σs和σf两条曲线相交于一点，交点对应的温度即为tk。

当温度大于tk时，σf＞σs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；当温度低于tk时，应力先达到断裂强度σf，材料表现为脆性断裂。图3-6σs和σf随温度变化的示意图22图3-7缺口对冷脆转变温度的影响

缺口对材料冷脆转变温度有影响。缺口的存在使σs增大到σsn，因此其脆性转变温度从tk升到t’k。

T在tk~t’k，光滑试样为韧性断裂，缺口试样为脆断。两个温度的差值表现为缺口对脆性转变温度的影响，缺口约尖锐，差值越大。233.2.3低温脆性的评定

温度、应力(包括残余应力)和应力集中是造成低温、低应力脆断的条件。对于不同服役条件下的工程结构或机器零件，应有不同的指标作为低温脆性判据。24图3-820钢和15MnMoVNRe钢在不同温度下的F—Δl曲线

低温拉伸试验在光滑试样的拉伸试验中，只有在很低的温度下才出现σf≈σs

，韧脆转变温度分别为–196℃(20钢)、–200℃以下(15MnMoVNRe钢)。

光滑拉伸试样的塑性指标不能反映材料的低温脆性。25

低温冲击试验及冷脆转变温度的确定

低温缺口冲击韧性试验运用了缺口、低温及高应变速率三个因素对材料脆化的影响，使其由韧性状态变为脆性状态。在三个因素中，缺口造成的脆化是主要的；如不用缺口试样而用光滑试样，即使降至很低温度，也难使低中强度钢产生脆断。同样，由冲击造成的高应变速率也有限，只有在有缺口的前提下促进材料的脆化。系列温度冲击试验

采用标准CharpyV冲击试样，从高温(通常为室温)到低温进行系列冲击试验，以测定冲击功随温度变化的规律，揭示材料的低温脆性倾向。26图3-9冲击吸收功和断口形貌与试验温度的关系曲线

在温度较高时，冲击功较高，有一上平台，称为高阶能，该区间表现为韧性断裂；在低温下，冲击功很低，表现为脆性解理断裂，冲击功的下平台称为低阶能；在低高阶能之间，有一很陡过渡区，其冲击功变化较大，数据较分散。

随着温度降低，冲击功由高阶能变为低阶能，材料由韧断过渡到脆断。断口形式由纤维状断口经过混合断口过渡为结晶状断口，断裂性质由微孔聚集型断裂过渡为解理断裂。27

冷脆转化温度的确定

能量准则对应于能量曲线的上平台(高阶能)和100%纤维状断裂的下限温度，称为塑性断裂转变温度FTP。对应于能量曲线的下平台(低阶能)和100%解理断裂的上限温度，称为无塑性或零塑性转变温度NDT。

与低阶能和高阶能的算术平均值对应的温度，称为韧脆转变温度FTE或FTT。

与某一固定的能量如AKV=15ft·lb(20.3J)对应的温度，记为V15TT

。28

取断口上出现50%纤维状的韧性断口和50%结晶状态的脆性断口时对应的温度为断口形貌转变温度50%FATT(FractureAppearanceTransitionTemperature)

或FATT50。图3-10韧性材料的冲击断口形貌

冲击试样断口也有纤维区、放射(结晶)区和剪切唇。在不同试验温度下，三个区的相对面积是不同的。温度下降，纤维区面积减少，结晶区面积增大，材料由韧变脆。

断口形貌准则29断口变形特征准则

试样冲断时，缺口根部收缩，背面膨胀。

规定试样表面相对收缩或膨胀为某一定值(1%或3.8%)或膨胀与收缩部分的边长差值为0.38mm时的温度，为脆性转变温度。30

用不同准则定义的脆性转变温度，由于不同准则的物理意义不同，确定的脆性转变温度也不一致，甚至相差很大。因此在评定材料的脆性转变温度，一定要注意按同一准则的脆性转变温度进行对比。表3-2实验用钢的脆性转变温度(℃)31

脆性转变温度tK

反映了温度对材料韧脆性的影响，它与δ、ψ、ΑΚ、NSR一样，也是安全性指标。tK是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于材料的抗脆断设计。图3-11按冷脆化温度选材(选B)

有两种材料A和B，在室温以上A的冲击韧性高于B，但当温度降低时，A的冲击韧性就急剧下降了，如按冷脆转化温度来选择材料时应选材料B。32

落锤试验和断裂分析图落锤试验

系列缺口冲击试验确定的脆性转变温度，并不能代表实物构件的脆性转变温度，缺口冲击试验所确定的脆性转变温度总是偏低。这主要是因为缺口冲击试样的尺寸小，其几何约束要比厚、宽的实物构件小，由于变形的几何约束小带来的脆化程度也相应地小一些。33图3-12夏比冲击试样和实物的韧脆转化温度

当CharpyV试样的冲击值还很高时，实物的韧性就已经很低了。因而，用CharpyV冲击试样所确定的脆性转变温度不是安全可靠的。3450年代初，美国海军研究所派林尼(WSPellini)等发展出落锤试验方法，用于测定全厚钢板的无塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能指标。试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸为25×90×350(mm)、19×50×125(mm)或16×50×125(mm)。因试样较大，试验时需要较大冲击能量，故不能再用一般的摆锤式冲击试验机，而必须用落锤试验机。35图3-13落锤试验示意图

在试样宽度的中点沿长度方向堆焊一层脆性合金，焊块中用薄片砂轮或手锯割开一个缺口，其宽度小1.5mm，深度为焊块厚度的一半，缺口方向与试验的拉力方向相垂直，用以诱发裂纹。

落锤试验机由垂直导轨(支承座)、能自由落下的重锤和砧座等组成。36

试验之前，将试样在所选的低温条件下保温30~45min，然后迅速将其移至支座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。根据试验温度的不同，试板的力学行为按温度由高到低依次发生如下的变化：

试板只发生塑性变形，不开裂。试板拉伸面靠缺口附近出现裂纹，但裂纹只在缺口附近的塑性