材料性能学-第3章

1、1 材料性能学材料性能学 2 第三章第三章 材料的冲击韧性材料的冲击韧性 及低温脆性及低温脆性 3.1 3.1 材料在冲击载荷下的力学性能材料在冲击载荷下的力学性能 3.2 3.2 材料的低温脆性材料的低温脆性 3 3.1 3.1 材料在冲击载荷下的力学性能材料在冲击载荷下的力学性能 3.1.1 前言前言 高速作用于物体上的载荷称为高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷冲击载荷。 许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用，如，如 飞机起落、内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连飞机起落、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

2、冲压和锻造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。加工等。 生产上用冲击载荷来实现静载荷难以实现的效果生产上用冲击载荷来实现静载荷难以实现的效果， 如凿岩机如凿岩机(68m/s)、穿甲弹、穿甲弹(1.52.0km/s)等。等。 因此需要评定材料在冲击载荷作用下的力学行为。因此需要评定材料在冲击载荷作用下的力学行为。 4 3.1.2 加载速率与应变速率加载速率与应变速率 加载加载速率速率是指载荷施加于试样或机件时的速率，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。用单位时间内应力增加的数值表示。变形速率变形速率是单是单 位时间内的变形量。位时间内的变形量。

3、变形速率有两种表示方法：变形速率有两种表示方法： n 变形速率变形速率： 式中，式中，l是试样长度，是试样长度，t是时间。是时间。 n 单位时间内应变的变化量，称为单位时间内应变的变化量，称为应变速率应变速率，用，用 表示：表示： 式中，式中，为试样的真应变。为试样的真应变。 (3 1) dl v dt & (32) ddlv dtldtl & 5 静拉伸试验静拉伸试验的应变率为的应变率为10-510-2 s-1，冲击试冲击试 验验的应变率为的应变率为102104 s-1。此外，还有应变率。此外，还有应变率 处于处于10-2102 s-1的的中等应变速率中等应变速率试验，如落锤、试验，如落锤、

4、 旋转飞轮等。旋转飞轮等。 当应变率大于当应变率大于10-2 s-1时，材料的时，材料的力学性能将力学性能将 发生显著变化。发生显著变化。 6 3.1.3 冲击载荷的能量性质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，才能按公式情况，才能按公式 计算出作用力计算出作用力F，这些数据是很难准确测量的，这些数据是很难准确测量的， 并且在作用时间内，并且在作用时间内，F 是一个变力。是一个变力。 因此，因此，总是把冲击载荷作为总是把冲击载荷作为能量能量

5、而不是作为而不是作为力力 来处理，故来处理，故冲击载荷具有能量的性质冲击载荷具有能量的性质。 21 () F tm vv 7 3.1.4 冲击载荷下材料变形与断裂的特点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在冲击载荷作用下，零件的变形与破坏过程与静 载荷一样，载荷一样， 仍分为仍分为弹性变形、塑性变形和断裂弹性变形、塑性变形和断裂三个三个 阶段。所不同的只是阶段。所不同的只是由于加载速度的不同，对这三由于加载速度的不同，对这三 个阶段产生了不同的影响。个阶段产生了不同的影响。 n 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模

6、量没有 影响影响 弹性变形是以弹性变形是以声速声速在介质中传播的在介质中传播的（如在钢中为（如在钢中为 4982m/s），而普通冲击试验时变形速度只有），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，高速冲击试验的变形速度也在103m /s以下。以下。 8 n 对塑性变形，随加载速度的增加，塑性形变来对塑性变形，随加载速度的增加，塑性形变来 不及充分进行，这就表现为不及充分进行，这就表现为弹性极限、屈服强度弹性极限、屈服强度 等等微量塑性变形抗力的提高。微量塑性变形抗力的提高。同时还发现同时还发现塑性变塑性变 形是极不均匀的。形是极不均匀的。 n 冲击载荷对塑性和韧

7、性的影响比较复杂，当材冲击载荷对塑性和韧性的影响比较复杂，当材 料在料在冲击载荷冲击载荷下，下，材料以材料以正断正断方式断裂时，方式断裂时，塑性塑性 和韧性显著下降和韧性显著下降；而以；而以切断切断方式断裂时，方式断裂时，塑性和塑性和 韧性变化不大，有时还会有所增加韧性变化不大，有时还会有所增加。 9 3.1.5 缺口试样的冲击试验和冲击韧性缺口试样的冲击试验和冲击韧性 冲击韧性冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形塑性变形 功功和和断裂功断裂功的能力。的能力。常用标准试样的常用标准试样的冲击吸收功冲击吸收功AK 表示。表示。 用于冲击试验的标准试样常为用于冲

8、击试验的标准试样常为10mm10mm 55mm的的U型或型或V型型缺口缺口试样试样，分别称为，分别称为夏比夏比 (Charpy)U型缺口试样和夏比型缺口试样和夏比V型缺口试样型缺口试样。习惯。习惯 上前者又简称为上前者又简称为梅氏试样梅氏试样，后者为，后者为夏氏试样夏氏试样。 另外，对陶瓷、铸铁或工具钢等另外，对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料脆性材料，冲击试冲击试 验常采用无缺口试样验常采用无缺口试样。 10 试样开缺口的目的试样开缺口的目的是为了使试样在承受冲击时在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

9、范围内，并保证试样一次就被冲断且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。使断裂就发生在缺口处。缺口愈深、愈尖锐，冲击缺口愈深、愈尖锐，冲击 吸收功愈低，材料的脆化倾向愈严重。吸收功愈低，材料的脆化倾向愈严重。 图图3-1 3-1 冲击试样的安放冲击试样的安放 11 图图3-2 3-2 冲击试验的原理图冲击试验的原理图 n 冲击吸收功冲击吸收功 n 冲击韧度冲击韧度 用试样缺口处的截面用试样缺口处的截面 积积SN(cm2)去除去除AKV (AKU)，即可得到试样，即可得到试样 的的冲击韧度或冲击值冲击韧度或冲击值KV (KU )。 KVKU12 () = mgHmgH

10、 (33)AA KVKU KVKU N () ()= (34) AA S 12 KV (KU)是一个是一个综合性综合性的力学性能指标，的力学性能指标，不不 仅与材料的仅与材料的强度强度和和塑性塑性有关，试样的有关，试样的形状形状、尺寸尺寸、 缺口形式缺口形式等都会对等都会对K值产生很大的影响值产生很大的影响。 因此，因此，K只是材料抗冲击断裂的一个参考性指只是材料抗冲击断裂的一个参考性指 标，标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代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换到具体零件上进行定量计算，单位为，单位为J/cm2。 13 3.1.6 冲击试样断裂过程分析冲

11、击试样断裂过程分析 在冲击试验所得到的在冲击试验所得到的冲击功冲击功AKU 和和AKV 中，包中，包 括试样在冲击断裂过程中吸收的括试样在冲击断裂过程中吸收的弹性变形功、塑弹性变形功、塑 性变形功性变形功和和裂纹形成及扩展功裂纹形成及扩展功等。简单的冲击试等。简单的冲击试 验不能将这些不同阶段消耗的功区分开来，验不能将这些不同阶段消耗的功区分开来， 因此，因此，冲击功只能是一种混合的韧性指标，在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。设计中不能定量使用。 14 图图3-3 3-3 缺口冲击试样的载荷缺口冲击试样的载荷挠度曲线挠度曲线 按照断裂过程的特点，按照断裂过程的特点， 可

12、将试样的可将试样的冲击功冲击功分为分为弹弹 性变形功性变形功Ae ，塑性变形、塑性变形、 形变强化以及裂纹形成等形变强化以及裂纹形成等 过程吸收的功过程吸收的功AP，裂纹扩裂纹扩 展功展功Ad。 材料不同、试样形状不材料不同、试样形状不 同，载荷变形曲线中冲击同，载荷变形曲线中冲击 功各部分所占的比例也不功各部分所占的比例也不 同，其物理意义相差很大。同，其物理意义相差很大。 15 图图3-4 3-4 三种典型的冲击载荷三种典型的冲击载荷位移曲线位移曲线 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。差很大。 强度高强度高、塑性低塑性低、

13、 无裂纹扩展功无裂纹扩展功，说明，说明裂裂 纹难以形成，但却极易纹难以形成，但却极易 失稳扩展失稳扩展。 强度较高强度较高，裂纹难裂纹难 以形成，且具有一定抗以形成，且具有一定抗 裂纹扩展能力裂纹扩展能力。 强度低强度低并并具有较大抵御裂纹扩展能力具有较大抵御裂纹扩展能力。 16 表表3-1 3-1 缺口形式对某低合金钢冲击功的影响缺口形式对某低合金钢冲击功的影响 缺口形式缺口形式U型缺口型缺口V型缺口型缺口预制裂纹预制裂纹 冲击韧度，冲击韧度，J/cm2682810 缺口的形式对冲击功的数值有很大影响。缺口的形式对冲击功的数值有很大影响。缺口越缺口越 尖锐，试样的冲击功越小。尖锐，试样的冲击

14、功越小。 因此，进行缺口试验时应根据材料的韧性情况，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。选择合适的缺口。韧性很高的材料，应选尖锐的缺韧性很高的材料，应选尖锐的缺 口试样；低韧性材料，应选用钝缺口试样，甚至不口试样；低韧性材料，应选用钝缺口试样，甚至不 开缺口。开缺口。 17 3.1.7 冲击试验的应用冲击试验的应用 s、b、和和Ak 被称为材料常规力学性能被称为材料常规力学性能 的五大力学性能指标的五大力学性能指标。缺口冲击弯曲试验主要用缺口冲击弯曲试验主要用 于揭示材料的变脆倾向：于揭示材料的变脆倾向： n 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接用于控制材料的冶金质

15、量和铸造、锻造、焊接 及热处理等热加工工艺的质量。及热处理等热加工工艺的质量。 n 根据系列冲击试验根据系列冲击试验(低温冲击试验低温冲击试验)评定材料的评定材料的 冷脆倾向，冷脆倾向， 供选材时参考或用于抗脆断设计。供选材时参考或用于抗脆断设计。 18 n 对于对于s大致相同的材料，用大致相同的材料，用AKV (AKU)可以评可以评 定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感 性。性。 n 利用利用Charpy V缺口冲击试验试样尺寸小、加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，通过建立工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立

16、 冲击功与其他力学性能指标间的联系，代替较复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杂的试验如平面应变断裂韧性KIC。 19 3.2 3.2 材料的低温脆性材料的低温脆性 寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故，寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故， 约为总事故的约为总事故的3040%。 3.2.1 低温脆性现象低温脆性现象 材料因温度的降低由材料因温度的降低由韧性断裂韧性断裂转变为转变为脆性断裂脆性断裂，冲冲 击吸收功明显下降击吸收功明显下降，断裂机理由，断裂机理由微孔聚集型微孔聚集型变为变为穿晶穿晶 解理解理，断口特征由，断口特征由纤维状纤维状变为变

17、为结晶状结晶状的现象，称为的现象，称为低低 温脆性温脆性或或冷脆冷脆。转变温度转变温度tK称为称为韧脆或冷脆转变温度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。下服役的机件是非常重要的。 20 n材料的冷脆可归为三种类型材料的冷脆可归为三种类型 fcc金属及其合金金属及其合金，冲击韧性很高冲击韧性很高； 温度降低时冲击韧性的变化不大，温度降低时冲击韧性的变化不大， 不会导致脆性破坏；可认为不会导致脆性破坏；可认为无低温无低温 脆性现象脆性现象。 高强度高强度bcc合金合金，室温下的，室温下的冲击冲击

18、韧性韧性就就很低很低，当材料内有裂纹存在，当材料内有裂纹存在 时，可在任何温度和应变速率发生时，可在任何温度和应变速率发生 脆性破坏；即材料较脆，脆性破坏；即材料较脆，韧脆转变韧脆转变 现象也不明显现象也不明显。 低、中强度低、中强度bcc金属以及金属以及Be、Zn 等合金等合金，冲击韧性对温度很敏感冲击韧性对温度很敏感， 称为称为冷脆材料冷脆材料。 图图3-5 33-5 3类不同冷脆倾向的材料类不同冷脆倾向的材料 21 3.2.2 低温脆性的本质低温脆性的本质 低温脆性是材料屈服强度随低温脆性是材料屈服强度随 温度下降急剧增加的结果。温度下降急剧增加的结果。材材 料的料的s随温度下降升高较快

19、，随温度下降升高较快， 但其但其f却随温度的变化较小，却随温度的变化较小， 因为因为热激活对裂纹扩展的力学热激活对裂纹扩展的力学 条件没有显著作用条件没有显著作用。 s和和f两条曲线相交于一点，两条曲线相交于一点， 交点对应的温度即为交点对应的温度即为tk。 当温度大于当温度大于tk时，时，fs，材料受载后先屈服再断裂，材料受载后先屈服再断裂， 为为韧性断裂韧性断裂；当温度低于；当温度低于tk时，应力先达到断裂强度时，应力先达到断裂强度f， 材料表现为材料表现为脆性断裂脆性断裂。 图图3-6 3-6 s和和f随温度变化的示意图随温度变化的示意图 22 图图3-7 3-7 缺口对冷脆转变温度的影

20、响缺口对冷脆转变温度的影响 缺口对材料冷脆转变温缺口对材料冷脆转变温 度有影响。度有影响。缺口的存在使缺口的存在使 s增大到增大到sn，因此其脆，因此其脆 性转变温度从性转变温度从tk升到升到tk。 T在在tktk，光滑试样为，光滑试样为 韧性断裂，缺口试样为脆韧性断裂，缺口试样为脆 断。断。两个温度的差值表现两个温度的差值表现 为缺口对脆性转变温度的为缺口对脆性转变温度的 影响，影响，缺口约尖锐，差值缺口约尖锐，差值 越大。越大。 23 3.2.3 低温脆性的评定低温脆性的评定 温度、应力温度、应力(包括残余应力包括残余应力)和和应力集中应力集中是造成是造成 低温、低应力脆断低温、低应力脆断

21、的条件。的条件。 对于不同服役条件下的工程结构或机器零件，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。应有不同的指标作为低温脆性判据。 24 图图3-8 3-8 2020钢和钢和15MnMoVNRe15MnMoVNRe钢在不同温度下的钢在不同温度下的F Fll曲线曲线 n 低温拉伸试验低温拉伸试验 在在光滑试样光滑试样的拉伸试验中，只有在很低的温度下才出的拉伸试验中，只有在很低的温度下才出 现现fs ，韧脆转变温度分别为，韧脆转变温度分别为196(20钢钢)、 200以下以下(15MnMoVNRe钢钢)。 光滑拉伸试样的塑性指标不能反映材料的低温脆性。光滑拉伸试样

22、的塑性指标不能反映材料的低温脆性。 25 n 低温冲击试验及冷脆转变温度的确定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低温缺口冲击韧性试验运用了缺口、低温缺口、低温及及高应变高应变 速率速率三个因素对材料脆化的影响，使其由三个因素对材料脆化的影响，使其由韧性状态韧性状态变变 为为脆性状态脆性状态。 在三个因素中，在三个因素中，缺口造成的脆化是主要的缺口造成的脆化是主要的；如不用；如不用 缺口试样而用光滑试样，即使降至很低温度，也难使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，由冲击造成的低中强度钢产生脆断。同样，由冲击造成的高应变速高应变速 率

23、率也有限，只有在有缺口的前提下促进材料的脆化。也有限，只有在有缺口的前提下促进材料的脆化。 系列温度冲击试验系列温度冲击试验 采用标准采用标准CharpyV冲击试样，从冲击试样，从高温高温(通常为室温通常为室温) 到低温到低温进行系列冲击试验，以测定冲击功随温度变化的进行系列冲击试验，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。规律，揭示材料的低温脆性倾向。 26 图图3-9 3-9 冲击吸收功和断口冲击吸收功和断口 形貌与试验温度的关系曲线形貌与试验温度的关系曲线 在温度较高时，在温度较高时，冲击功较高，冲击功较高， 有一上平台，称为有一上平台，称为高阶能高阶能，该，该 区间表现

24、为区间表现为韧性断裂韧性断裂；在低温在低温 下，下，冲击功很低，表现为冲击功很低，表现为脆性脆性 解理断裂解理断裂，冲击功的，冲击功的下平台称下平台称 为为低阶能低阶能；在低高阶能之间，；在低高阶能之间， 有一很陡过渡区，其冲击功变有一很陡过渡区，其冲击功变 化较大，数据较分散。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。韧断过渡到脆断。断口形式由断口形式由纤维状断口纤维状断口经过经过混合断口混合断口 过渡为过渡为结晶状断口结晶状断口，断裂性质由，断裂性质由微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂过渡为过渡为 解理断裂

25、解理断裂。 27 冷脆转化温度的确定冷脆转化温度的确定 能量准则能量准则 对应于能量曲线的对应于能量曲线的上平台上平台(高阶能高阶能)和和100%纤纤 维状断裂维状断裂的的下限温度下限温度，称为，称为塑性断裂转变温度塑性断裂转变温度FTP。 对应于能量曲线的对应于能量曲线的下平台下平台(低阶能低阶能)和和100%解解 理断裂理断裂的的上限温度上限温度，称为，称为无塑性或零塑性转变温度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，称与低阶能和高阶能的算术平均值对应的温度，称 为为韧脆转变温度韧脆转变温度FTE或或FTT。 与某一固定的能量如与某一固定的能量如AKV=1

26、5ftlb(20.3J)对对 应的温度，记为应的温度，记为V15TT 。 28 取断口上出现取断口上出现50%纤维状的韧性断口和纤维状的韧性断口和50%结晶状结晶状 态的脆性断口时对应的温度为态的脆性断口时对应的温度为断口形貌转变温度断口形貌转变温度50% FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 或或 FATT50 。 图图3-10 3-10 韧性材料的冲击断口形貌韧性材料的冲击断口形貌 冲击试样断口也有冲击试样断口也有纤维纤维 区、放射区、放射 (结晶结晶)区和剪切区和剪切 唇唇。在不同试验温度下，。在不同试验温度下， 三个区的相对

27、面积是不同三个区的相对面积是不同 的。的。温度下降，纤维区面温度下降，纤维区面 积减少，结晶区面积增大，积减少，结晶区面积增大， 材料材料由韧变脆由韧变脆。 断口形貌准则断口形貌准则 29 断口变形特征准则断口变形特征准则 试样冲断时，缺口根部收缩，背面膨胀。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规定试样表面相对收缩或膨胀为某一定值(1% 或或3.8%)或膨胀与收缩部分的边长差值为或膨胀与收缩部分的边长差值为0.38 mm时的温度，为时的温度，为脆性转变温度脆性转变温度。 30 用不同准则定义的脆性转变温度，由于不同准则用不同准则定义的脆性转变温度，由于不同

28、准则 的物理意义不同，确定的脆性转变温度也不一致，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。因此甚至相差很大。因此在评定材料的脆性转变温度，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一定要注意按同一准则的脆性转变温度进行对比。 表表3-2 3-2 实验用钢的脆性转变温度实验用钢的脆性转变温度()() 31 脆性转变温度脆性转变温度tK 反映了温度对材料韧脆性的影响反映了温度对材料韧脆性的影响， 它与它与、NSR一样，也是安全性指标。一样，也是安全性指标。tK是是 从韧性角度选材的重要依据之一，可用于材料的抗脆从韧性角度选材的重要依据之一，可用于材料

29、的抗脆 断设计断设计。 图图3-11 3-11 按冷脆化温度选材按冷脆化温度选材( (选选B) B) 有两种材料有两种材料A和和B，在，在 室温以上室温以上A的冲击韧性高的冲击韧性高 于于B，但当温度降低时，但当温度降低时， A的冲击韧性就急剧下降的冲击韧性就急剧下降 了，如了，如按冷脆转化温度按冷脆转化温度 来选择材料时应选材料来选择材料时应选材料B。 32 n 落锤试验和断裂分析图落锤试验和断裂分析图 落锤试验落锤试验 系列缺口冲击试验确定的脆性转变温度，并不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，能代表实物构件的脆性转变温度，缺口冲击试验所缺口冲击试验所

30、确定的脆性转变温度总是偏低。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。束小带来的脆化程度也相应地小一些。 33 图图3-12 3-12 夏比冲击试样和实物的韧脆转化温度夏比冲击试样和实物的韧脆转化温度 当当Charpy V试样试样 的冲击值还很高时，的冲击值还很高时， 实物的韧性就已经很实物的韧性就已经很 低了。低了。 因而，因而，用用Charpy V冲击试样所确定的冲击试样所确定的 脆性转变温度不是安

31、脆性转变温度不是安 全可靠的全可靠的。 34 50年代初，美国海军研究所派林尼年代初，美国海军研究所派林尼(W S Pellini) 等发展出等发展出落锤试验方法落锤试验方法，用于测定全厚钢板的用于测定全厚钢板的无塑性无塑性 转变温度转变温度NDT， 以作为评定材料的性能指标。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，典型尺寸为试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸为25 90350(mm)、1950125(mm)或或16 50125(mm)。 因试样较大，试验时需要较大冲击能量，故不能再因试样较大，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，而必须用用一般的摆锤式

32、冲击试验机，而必须用落锤试验机落锤试验机。 35 图图3-13 3-13 落锤试验示意图落锤试验示意图 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。直，用以诱发裂纹。 落锤试验机由落锤试验机由垂直导轨垂直导轨(支承座支承座)、能自由落下的、能自由落下的重锤重锤和和 砧座砧座等组成。等组成。 36 试验之前，将试样在所选的低温条件下

33、保温试验之前，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，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。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：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 口附近的塑性变形区内，未扩展到两侧边。口附近的塑性变形区内，未扩展到两侧边。 裂纹发展到试板

34、一侧边或两侧边。裂纹发展到试板一侧边或两侧边。 试件完全碎裂。试件完全碎裂。 37 一般规定裂纹能扩展到试板一侧边或横贯板宽的一般规定裂纹能扩展到试板一侧边或横贯板宽的 最高温度为最高温度为无塑性转变温度无塑性转变温度，用用NDT表示表示。NDT 的含义实际是当的含义实际是当TNDT时，钢板碎裂。时，钢板碎裂。TNDT 时，含有大裂纹的试板不会碎裂。时，含有大裂纹的试板不会碎裂。 因此，因此，可以把落锤试样看做是大尺寸的可以把落锤试样看做是大尺寸的Charpy 试样。试样。 38 断裂分析图断裂分析图(简称简称 FAD) 断裂分析图已成功地断裂分析图已成功地 用于低强度钢焊接结构用于低强度钢焊

35、接结构 的破损安全设计，根据的破损安全设计，根据 工作应力的大小选用不工作应力的大小选用不 同的设计准则。同的设计准则。断裂分断裂分 析图表示了析图表示了应力、缺陷应力、缺陷 和温度和温度三个参数之间的三个参数之间的 关系，只要确定了其中关系，只要确定了其中 任意两个参数，就可以任意两个参数，就可以 求出第三个参数。求出第三个参数。图图3-14 3-14 断裂分析图断裂分析图( (FADFAD) ) 39 要建立材料的要建立材料的FAD图，就必须知道材料的图，就必须知道材料的NDT， FTE和和FTP温度。温度。NDT可用落锤试验测出，可用落锤试验测出，FTE和和 FTP要通过爆炸鼓突试验测出

36、，但在大量试验的基要通过爆炸鼓突试验测出，但在大量试验的基 础上发现，础上发现，FTE和和FTP与与NDT之间有着较好的定量之间有着较好的定量 经验关系，因此可不必通过爆炸试验而只用落锤试经验关系，因此可不必通过爆炸试验而只用落锤试 验测出验测出NDT后就可以作出完整的断裂分析图后就可以作出完整的断裂分析图。 40 3.2.4 低温脆性的影响因素低温脆性的影响因素 n 材料因素材料因素 晶体结构晶体结构 低、中强度的低、中强度的bcc金属及其合金金属及其合金(如钢如钢)，hcp金金 属中的属中的Zn、Be及其合金及其合金，有冷脆现象有冷脆现象。 高强度的高强度的bcc金属金属，如高强度及超高强

37、度钢，由，如高强度及超高强度钢，由 于其在很宽的温度范围内冲击值均较低，于其在很宽的温度范围内冲击值均较低，冷脆转变冷脆转变 不明显不明显。 fcc金属金属(如奥氏体钢、如奥氏体钢、Ni、Al、Cu铜等铜等)，一一 般情况般情况下可认为下可认为无冷脆现象无冷脆现象。 41 化学成分化学成分 在在bcc金属金属-Fe中加入能形成中加入能形成间隙固溶体间隙固溶体的元素的元素(如如 碳、氮、氢等碳、氮、氢等)，使冲击韧性减小，冷脆转变温度提高，使冲击韧性减小，冷脆转变温度提高， 且含量愈大影响愈甚。且含量愈大影响愈甚。 随着钢中含碳量的增加，随着钢中含碳量的增加， 冷脆转化温度几乎呈线性冷脆转化温度

38、几乎呈线性 地上升，且最大冲击值也地上升，且最大冲击值也 急剧降低。钢的含碳量每急剧降低。钢的含碳量每 增加增加0.1，冷脆转化温，冷脆转化温 度升高约为度升高约为13.9。钢钢 中含碳量的影响，主要归中含碳量的影响，主要归 结为珠光体增加了钢的脆结为珠光体增加了钢的脆 性性。 图图3-15 3-15 含碳量对钢的韧脆转变温度的影响含碳量对钢的韧脆转变温度的影响 42 图图3-16 3-16 合金元素对钢的韧脆转变温度的影响合金元素对钢的韧脆转变温度的影响 -Fe中加入能形成中加入能形成置置 换固溶体换固溶体的元素，一般也的元素，一般也 不同程度地提高和扩大其不同程度地提高和扩大其 冷脆转变温

39、度和范围。冷脆转变温度和范围。但但 在在-Fe中加入中加入Ni和和Mn， 能显著地降低冷脆转变温能显著地降低冷脆转变温 度并提高韧断区的冲击值度并提高韧断区的冲击值。 杂质元素杂质元素S、P、Pb、Sn、As等，会降低钢的韧性。等，会降低钢的韧性。 这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能， 产生沿晶产生沿晶 脆性断裂，同时降低脆断应力所致。脆性断裂，同时降低脆断应力所致。 43 晶粒尺寸晶粒尺寸 细化晶粒能使材料的韧性增加，韧脆转变温度降细化晶粒能使材料的韧性增加，韧脆转变温度降 低。低。 图图3-17 3-17 晶粒尺寸与冷脆转变温度的关系晶粒尺寸与冷脆转变温度的关系 44 图图3-18 3-18 马氏体板条束宽度与脆性转变