第三章金属在冲击载荷下的力学性能.ppt

2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 1 材料力学性能 张世宏材料科学与工程学院金属材料系Email shzhang zsh10110903 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 2 第三章金属在冲击载荷下的力学性能 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 3 为了评定材料传递冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为 就需要进行相应的力学性能试验 加载速率定义 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来表示 应变速率 本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点 主要讨论缺口试样冲击弯曲试验方法和金属材料的低温脆性 10 4 10 2 静载荷 10 2 力学性能显著变化 形变速率 相对 绝对 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 4 第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点 冲击载荷下 由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能 所以机件 与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间 从而影响加速度和惯性力的大小 由于冲击过程持续时间短 测不准确 难于按惯性力计算机件内的应力 所以机件在冲击载荷下所受的应力 通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能 再按能量守恒法计算 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 5 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行 主要有以下两方面的原因 1 由于冲击载荷下应力水平比较高 使许多位错源同时起作用 结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展 2 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目 出现孪晶 减小了位错运动自由行程平均长度 增加了点缺陷的浓度 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 6 静载荷作用时 塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中 冲击载荷作用时 塑性变形则比较集中于某一局部区域 反映了塑性变形不均匀 这种不均匀限制了塑性变形的发展 导致了屈服强度 抗拉强度的提高 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 7 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 8 塑性 韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关 如果在一定加载条件及温度下 材料产生正断 则断裂应力变化不大 塑性随着应变率的增加而减小 如果材料产生切断 则断裂应力随着应变率提高显著增加 塑性的变化不一定 可能不变或提高 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 9 第二节冲击弯曲和冲击韧性 冲击韧性的定义 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 用标准试样的冲击吸收功Ak表示 冲击弯曲 加载速率 缺口效应 如何实现 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 10 试验在摆锤式冲击试验机上进行 试验过程 将样品水平放在试验机的支座上 缺口位于冲击相背的方向 然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H1 使其获得一定位能mgH1 释放摆锤冲断试样 摆锤的剩余能量为mgH2 则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1 mgH2 这就是试样变形和断裂所消耗的功 称为冲击吸收功 以Ak表示 单位为J 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 11 注意 1 标样尺寸 2 对于脆性材料 常采用10 10 55mm的无缺口试样 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 12 冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆程度 这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断 一部分消耗于试样掷出 机身振动 空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等 通常试验时 这些功消耗可以忽略不计 但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时 上述功消耗较大 不同试验机上测得的Ak值相差10 30 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 13 冲击弯曲试验的主要用途有两点 1 控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量 通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析 可揭示原料中的夹渣 气泡 严重分层 偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷 检查过热 过烧 回火脆性等锻造或热处理缺陷 2 根据系列冲击试验 低温冲击试验 可得Ak与温度的关系曲线 测定材料的韧脆转变温度 可以评定材料的低温脆性倾向 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 14 缺口冲击韧性试验机介绍 主要技术参数及指标 1摆锤预扬角 150 2摆轴中心至打击中心的距离 750mm 800mm3冲击速度 5 2m s 5 4m s4最大冲击能量 300J 500J 500J 250J5试样支座跨距 40mm6试样支座端圆弧半径 R1 1 5mm7冲击刀圆弧半径 R2 2 5mm8冲击刀两斜面夹角 30 9冲击刀厚度 16mm10主机外形尺寸 2124mm 600mm 1340mm 2300mm 600mm 1400mm11重量 480kg 580kg JB S300数显冲击试验机 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 15 技术参数 1冲击能量 300J 150J 500J 250J2摆锤预扬角 150 3冲击速度 5 2m s 5 4m s4试样支座跨距 40mm5钳口圆角 R1 1 5mm6冲击刀刃圆角 R2 2 5mm7试样规格 55 10 10mm JB 300 500W微机控制冲击试验机 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 16 第三节低温脆性 一 低温脆性现象定义 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金 特别是工程上常用的中 低强度结构钢 铁素体 珠光体钢 在试验温度低于某一温度tk时 会由韧性状态变为脆性状态 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 这就是低温脆性 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 17 1912年当年最为豪华 号称永不沉没的泰坦尼克号 Titanic 首航沉没于冰海 成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难 1985年以后 探险家们数次深潜到12 612英尺深的海底研究沉船 起出遗物 1995年2月美国 科学大众 PopularScience 杂志发表了RGannon的文章 标题是 WhatReallySankTheTitanic 付标题是 为什么 不会沉没的 船在撞上一个冰山后3小时就沉没了 一项新的科学研究回答了80年未解之谜 由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 冲击试样是典型的脆性断口 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 18 右图是建造中的Titanic号 Gannon的文章指出 在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体 船体上可见长长的焊缝 船在冰水中撞击冰山而裂开时 脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链 使船体产生很长的裂纹 海水大量涌入使船迅速沉没 这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证 建造中的Titanic号 可以看到船身上长长的焊缝 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 19 低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果 见右图 屈服点随着温度的下降而升高 但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小 两线交点对应的温度就是tk Bcc金属的低温脆性的原因 1 派纳力 P14 图1 11 2 迟屈服现象 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 20 二 韧脆转变温度 在不同温度下进行冲击弯曲试验 根据试验结果作出冲击吸收功 温度曲线 断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等 根据这些曲线来求得tk 定义 结合图3 5 强度和塑韧性的变化 对应指标的变化 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 21 1 按能量定义tk的方法 1 当低于某一温度 金属材料吸收的冲击能量基本不随温度变化 形成一个平台 该能量称为 低阶能 2 高于某一温度时 材料吸收的温度基本不变 出现一个上平台 称为 高阶能 3 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk 记为FTE FractureTransitionElastic 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 22 2 按断口形貌定义tk的方法 冲击试样冲断后 断口形貌见下图 试验表明 在不同试验温度下 纤维区 放射区与剪切唇三者之间的相对面积 或线尺寸 是不同的 温度下降 纤维区面积突然减少 结晶区面积突然增加 材料由韧变脆 通常取结晶区面积占整个断口面积的50 时的温度为tk 记为50 FATT或FATT50 t50 裂纹扩展速率的变化 低 高 低 形成机理 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 23 韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计 保证机件服役安全 但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸 机件的最低使用温度必须高于tk 两者相差越大越安全 所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备 也就是说具有一定的 值 t0 tk 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 24 同一材料 使用同一定义方法 由于外界因素的变化 如试样尺寸 缺口尖锐度和加载速率等 tk也要变化 所以在一定条件下用试样测得的tk 由于和实际结构工况之间无直接联系 所以不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 25 三 落锤试验和断裂分析图 50年代初 美国海军研究所派林尼 W S Pellini 等人提出了落锤试验方法 用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT 以作为评定材料的性能标准 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 26 落锤试验机示意图 落锤试验机由垂直导轨 支持重锤 能自由下落的重锤和砧座等组成 见右图 重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱 硬度不小于50HRC 重锤可升到不同高度 以获得340 1650J的能量 砧座上除了两端的支承块外 中心部分还有一个挠度终止块 以限制试样产生过大的塑性变形 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 27 落锤试验机实物图 TLC 300落锤冲击试验机适用于热塑性塑料管材 管件和硬质塑料板材的耐冲击试验 最大冲击能量300J最大冲击高度2m标尺误差 落锤组合质量最大组合质量15KG 0 1 冲头规格 AR 10mmBR 20mCR 5mmBBR 30mm冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm电动提升机构最大提升力20kgf牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf管材V型托板200 300 25mm3试样尺寸直径20 400mm TLC 300落锤冲击试验机 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 28 试样冷却到一定温度后放在砧座上 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 随着试样温度的下降 其力学行为发生如下变化 没有出现裂纹 拉伸侧表面形成裂纹 但未发展到边缘 拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边 试样断成两部分 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 29 零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分 例如 1 NDT设计标准 2 NDT 33 设计标准 3 NDT 67 设计标准 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 30 落锤试验的缺点 1 不能定量评定脆性断裂 2 未考虑板厚的影响 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 31 通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图 FAD FractureAnalysisDiagram 表示许用应力 缺陷 裂纹 和温度之间的关系曲线 见下图 CAT 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 32 断裂分析图的优点 1 为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供了一个有效方法 2 可用来分析脆性断裂事故 帮助积累防止脆性断裂的有关经验 断裂分析图的缺点 未考虑加载速率和板厚的影响 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 33 第四节影响韧脆转变温度的冶金因素 一 晶体结构二 化学成分三 显微组织 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 34 二 化学成分 间隙溶质元素溶入铁素体基体中 偏聚于位错线附近 阻碍位错运动 导致屈服强度的升高 钢的韧脆转变温度升高 解释原因 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 35 三 显微组织 一 晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 36 细化晶粒提高韧性的原因 1 晶界是裂纹扩展的阻力 2 晶界前塞积的位错数减少 有利于降低应力集中 3 晶界总面积增加 使晶界上杂质浓度减小 避免了产生沿晶脆性断裂 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 37 二 金相组织 1 较低强度水平时 如高温回火 强度相同而组织不同的钢 其冲击吸收功Ak与tk以马氏体高温回火 回火索氏体 最佳 贝氏体回火组织次之 片状珠光体组织最差 球化处理可改善钢的韧性 2 9 2020 安徽工业大学材料科学与工程学院 38 2 在较高强度水平时 如中 高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织 则Ak与tk优于同强度的淬火回火组织 3 相同强度水平下 典型上贝氏体的tk