第03章-金属在冲击载荷下的力学性能..ppt

1 第3章金属在冲击载荷下的力学性能 3 1冲击载荷下金属变形和断裂的特点 3 2冲击弯曲和冲击韧性 3 3低温脆性及韧脆转变温度 3 4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 2 冲击载荷与静载荷的主要区别 加载速度 幅度和频率 不同应变速率 de d e为真应变静拉伸试验 10 5 10 2s 1冲击试验 102 104s 1一般 10 4 10 2s 1 金属材料的力学性能无显著变化 10 2s 1时 力学性能将显著变化 提高将使金属材料的变脆倾向增大 3 3 1冲击载荷下金属变形和断裂的特点 一 冲击失效的特点 1 与静载时相同 弹性变形 塑性变形 断裂 2 吸收的冲击能测不准 时间短 机件 与机件联接物体的刚度 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 应变速率对材料的弹性行为及弹性模量无影响 弹性变形的速度4982m s 声速 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5 5 5m s 这样冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化 4 二 影响冲击性能的微观因素 1 位错的运动速率 派纳力增大 滑移临界切应力 金属产生附加强化 参见图1 12 2 同时开动的位错源增加 增加位错密度 提高滑移系数目 塑变极不均匀 限制了塑性变形的发展 导致屈服强度提高 多 抗拉强度提高 少 参见图1 12 材料塑性与之间无单值依存关系 大多情况下 冲击时的塑性比静拉伸的要低 高速变形时 某些金属可显示较高塑性 如密排六方金属爆炸成型 塑性和韧性随提高而变化的特征与断裂方式有关 如在一定加载规范和温度下 材料产生正断 因为切变抗力增加很大 则断裂应力变化不大 塑性随 而 如材料产生切断 则随 而 但塑性可能不变 也可能提高 5 三 冲击断口形貌 三个区 纤维区 放射区 剪切唇 若试验材料具有一定的韧性 可形成两个纤维区 i e 纤维区 放射区 纤维区 剪切唇 如下图 由于缺口处是平面应力状态 若试验材料具有一定塑性 则裂纹在快速扩展中就形成纤维区 当裂纹扩展到一定深度 出现平面应变状态 且裂纹达到格里菲斯裂纹尺寸时 裂纹快速扩展形成结晶区 到了压缩区后 应力状态发生变化 裂纹扩展速度再次减小 于是就形成 二次 纤维区 6 3 2冲击弯曲和冲击韧性 一 冲击韧性及其作用1 冲击韧性是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力 用冲击吸收功Ak J 表示 或表为ak J cm2 冲击功除以试样缺口底部面积之商 冲击韧度 2 作用 1 揭示冶金缺陷的影响 冶金缺陷如如夹渣 气泡 严重分层 偏析 及夹杂物超级等 锻造或热处理缺陷如过热 过烧 回火脆性等 2 对 s大致相同的材料 评定缺口敏感性 3 评定材料的低温脆性倾向 By韧脆转变温度tk 7 二 冲击试验 1 摆锤冲击摆锤 10 10 55试样 跨距40mm 无缺口 有缺口 U V 分别记为AK AKU AKV 铸铁 QT 白口铁 工具钢等脆性材料 10 10 55 无缺口样品 2 小能量多冲击磨球的冲击等单次冲击不足以破坏材料 冲击疲劳 断裂 3 落锤试验普通冲击弯曲试样尺寸较小 不能反映实际构件中的应力状态 且测试结果分散性大 不能满足一些特殊要求 故美国海军研究所W S Pellini 20世纪60年代 提出落锤试验方法 因试样较大 试验时需较大冲击能量 不能用一般摆锤冲击 必须用落锤击断 这是一个半定量的模拟试验方法 用以测定实际使用 厚板 材料的性能 揭示存在一定尺寸裂纹的材料的断裂应力 c 无塑性转变温度NDT之间的关系 参见图3 9断裂分析图 FAD P62 8 落锤试验以及动态撕裂试验等方法 实际上都是使用大型夏比试样的弯曲冲击试验 落锤试验 DWT Drophammertest 主要用于测定金属钢板的无塑性转变温度NDT Non plastictransitiontemperature 试样的厚度与实际使用的板厚相同 并且宽度加大 动态撕裂试验DTT DynamicTearTest 用来测定动态撕裂功和NDT 落锤具有的能量 支撑块的 根据落锤试验和动态撕裂试验求得的NDT 可以建立表征应力 缺陷和工作温度关系的断裂分析图 FAD 图3 9 P62 9 断裂分析图 FAD 分析 纵坐标 应力 横坐标 温度 图中左侧在NDT附近 为对低强度钢压力容器断裂事故分析和有关实验得出的结果 不同尺寸的裂纹对应的断裂应力 c 裂纹长度增加 c下降 裂纹很长时 c仅为35 56MPa 如外加应力 该值 则不发生脆性破坏 此即脆性破坏的应力 图中各条曲线对应不同裂纹尺寸的 c t曲线 AC线 小裂纹的的 c T曲线 位于 s线以上 BC线 长裂纹的 c T曲线 与 s点相交于B点 对应的温度即为FTE 弹性断裂转变温度 C点对应的坐标为 b和FTP 塑性断裂转变温度 因为在NDT附近有一不发生脆性破坏的最低应力 于是得到A 点 A BC线 断裂终止线 CAT 表示不同应力水平下脆性断裂扩展的终止温度 区域 NDT以上 A BC以左 s以下 根据不同裂纹尺寸和应力水平组合 裂纹可能快速扩展而脆断 也可能不脆断扩展 在该区域 温度一定 裂纹长度增加 c下降 而在相同应力水平下 小尺寸裂纹不发生脆性扩展 大裂纹扩展 在CAT以右 脆性裂纹不产生扩展 在 s以上 AC线与BC线之间区域内 解理断裂之前先塑变 当温度高于FTP时 不论裂纹尺寸如何 断裂均为剪切型 且 c b 由NDT FTE FTP 测出NDT后 估算FTE FTP 10 3 3低温脆性及韧脆转变温度 一 低温脆性现象低温下 材料的脆性急剧增加 esp 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 F C C金属 位错宽度比较大 一般不显示低温脆性 11 二 韧脆转变温度 判断标准冲击能量低阶能对应的t1 NDT 无塑性或零塑性转变温度 高阶能对应的t2 FTP FractureTranistionPlastic塑性断裂转变温度 弹性断裂转变温度FTE 0 5 t1 tk 断口形貌无塑性转变温度NDT NilDuctilityTemperature 断口由100 结晶区 解理区 组成时对应的温度 50 FATT FractureAppearanceTemperature 断口结晶区占整个断口面积50 时的温度 V15TT 采用夏比V形缺口试样 指对应于冲击功15英尺 磅 20 34J 韧脆转变温度 韧脆转变温度值 NDT V15TT FTE 50 FATT 实质 温度或开缺口 变形约束 材料脆化 12 3 4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 一 晶体学特性晶体结构 f c c不存在低温脆性 如Cu Al 奥氏体不锈钢 b c c金属及其合金存在低温脆性 如Fe Mo W等 位错 位错宽度大 不显示低温脆性 层错能 韧性 形成柯氏气团 韧性 13 二 冶金因素 1 溶质元素间隙原子 使韧性 置换式溶质 对韧性影响不明显杂质元素O N S P As Sn Sb使韧性 Si可限制交滑移 促进孪生 提高韧脆转变温度 使韧性 2 显微组织a 晶粒大小b 金相组织回火索氏体 贝氏体 珠光体 韧性 第二相 大小 形状 数量 分布 14 三 外部因素 1 温度钢的 蓝脆 在250 450 内钢的强度升高 冲击韧性降低现象 某些钢材在200 300 时颜色发蓝而脆性增加 在此温度区间强度达最大值而塑性较低脆性增大 蓝脆倾向较大的钢材应变时效倾向也较明显 钢中含氮量多使其蓝脆倾向增大 但在冲击载荷下钢的蓝脆温度区间上升到250 450 常温下 刃位错由于被C N 或第二相质点 钉扎 形成Cottrell气团 表现出较低的塑性及韧性 本来 在温度升高的过程中 由于变形作用和温度升高提供的驱动能 使位错可以挣脱间隙溶质原子的钉扎而滑移 钢材表现出塑性和韧性升高 但当升高到一定的温度范围 蓝脆温度 时 C N原子的扩散