冲击韧性和低温脆性、疲劳PPT课件.ppt

材料性能测试技术PerformanceTestingofMaterials,1,上次课的主要内容,第一章材料的力学性能1.4材料弯曲的力学性能1.5材料扭转的力学性能1.6硬度,2,3,本次课的主要内容,第一章材料的力学性能1.7材料的冲击韧性和低温脆性1.8材料的疲劳性能,重点：冲击韧性，韧脆转变温度，疲劳极限难点：冲击试验原理与方法,本次课的重点、难点,4,5,材料的力学性能,拉伸弯曲压缩扭转硬度冲击磨损疲劳高温力学性能,静载荷,动载荷,高温,1.7材料的冲击韧性和低温脆性,6,7,8,9,10,冲击吸收功Ak，单位：J,冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。,Fk：试样缺口处的横截面积,冲击韧度ak(akAk/Fk，单位：J/cm2),衡量指标：,或称为冲击强度,1.材料的冲击韧性,11,2.冲击试验,常温冲击低温冲击高温冲击,实验温度,试样的受力状态,摆锤式（包括简支梁、悬臂梁）落球式高速拉伸,12,不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验方法，由于各种试验方法中试样受力形式和冲击物的几何形状不同，不同的试验方法所测得的冲击强度结果不能相互比较。,采用的能量和冲击次数,大能量的一次冲击,小能量的多次冲击实验,单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂,13,摆锤式弯曲冲击,摆锤冲击试验中试样的安放方式,（a）简支梁型,（b）悬臂梁型,14,冲击性能,冲击性能实验是在冲击负荷的作用下测定材料的冲击强度。在实验中，对试样施加一次冲击负荷使试样破坏，记录下试样破坏时或过程中试样单位截面积所吸收的能量，即得到冲击强度。在工程应用上，冲击强度是一项重要的性能指标，通过抗冲击试验，可以评价材料在高速冲击状态下抵抗冲击的能力或判断材料的脆性和韧性程度。,15,仪器：简支梁冲击试验机，对试样施加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试样破坏时单位面积所吸收的能量表征该材料的冲击韧性。简单易行，在控制产品质量、比较结构或制品的韧性时是一种经常使用的测试方法。,简支梁式摆锤冲击试验方法,16,试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样,缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷,17,原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。,式中：AK冲击功，试样断裂前吸收的能量；Fk缺口处截面面积；G摆锤重量；hh1冲断试样前后摆锤的高度差,计算公式：Ak=GhGh1=G（hh1）=AK/Fk（KJ/m2）,18,19,AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。评定材料的冶金质量和热加工产品质量。评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。,3.冲击韧性的用途,20,工程中常将材料的屈服强度与冲击韧性结合在一起用于零件及结构的设计。焊接结构设计中，除了强度的要求外，规定焊接接头冲击吸收功Ak27J,21,4.低温脆性及韧脆转变温度,（1）低温脆性现象在低温下，材料的脆性急剧增加。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加,22,TTk,先达到s，韧性断裂,23,通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。不同温度下的冲击试验称为系列冲击试验,24,系列冲击试验,奥氏体钢,低强度铁素体钢,高强度钢,25,温度对材料的韧性影响很大，在某个温度下，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，材料由韧性状态转变为脆性状态，此温度称为韧脆转变温度，Tk。Ak越高，Tk越低，材料的韧性越好。材料的使用温度应高于Tk,（2）韧脆转变温度,26,Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。奥氏体钢韧性最高，无明显的Tk，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk，低温韧性差；高强度钢韧性最差，即使室温韧性也很低。,27,（1）晶体结构体心立方金属具有韧脆转变温度，低温脆性严重，而大多数面心立方金属没有。（2）化学成分杂质元素S、P、As、Sn、Pb使韧性（3）显微组织晶粒大小：细化晶粒使材料韧性增加,4.影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,内因,28,（4）温度钢的“蓝脆”525550（钢的氧化色为蓝色）。冲击韧性降低，韧变脆（5）加载速率加载速率，脆性，韧脆转变温度Tk（6）试样尺寸和形状试样增厚，Tk（表面上的拉压应力最大）；带缺口，应力集中，脆性，Tk。,外因,29,1.疲劳断裂指在低于s变动应力的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。,1.8材料的疲劳性能,性能指标：疲劳极限（强度）,材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。,30,2.疲劳断裂的特点疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限断裂前没有明显的塑性变形，即使伸长率和断面收缩率很高的塑性材料也是如此疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成；实验数据分散性较大,31,3.零件疲劳失效的过程零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。,1-疲劳源2-扩展区3-瞬时断裂,32,4.提高疲劳强度的途径合理的选择材料。零件设计时形状、尺寸合理。降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。,33,5.不同形式的疲劳热疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏，如热压辊，汽轮机叶片冲击疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏，如小能量多次冲击试验腐蚀疲劳：腐蚀性介质因使材料表面腐蚀产生蚀坑而降低材料的疲劳强度,本次