第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能

1、第三章第三章 材料在冲击载荷下材料在冲击载荷下 的力学性能的力学性能 第一节第一节 冲击载荷下金属变形和断裂特点冲击载荷下金属变形和断裂特点 第二节第二节 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性 第三节第三节 低温脆性低温脆性 第四节第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 n本章的意义： n生产中很多机件和工具受冲击载荷作用，为了评 定材料承受冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载 荷作用下的力学行为，就需要进行相应的力学性 能试验。 n在低温环境下使用的构件，其用材在低温下发生 脆断的情况是必须要严格关注的，因此需要进行 系列冲击试验。 n 本章的内容：介绍材料在冲

2、击载荷下的力学行为和 性能特点以及材料的低温脆性。 第一节第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性 变形速率：= dl/dt， l是试样长度，t是时间 应变速率： 一、加载速率和应变速率 加载速率提高，应变速率也随之增加。 /,/ddtddl l 静拉伸的应变速率在10-510-2S-1,当应变速率 大于10-2S-1，材料的力学性能将发生显著的变 化。 11 / dldl ddt l dtdt ll n冲击载荷下材料变形和断裂的特点 弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性 模量没有影响。 塑性变形阶段：塑性变形来不及充分进行，且不均 匀。表现为弹性极限、屈服强度的提高。 0

3、12 lgKK 下屈服点 低碳钢 应变速率对铝扭转应力应变曲线的影响 冲击载荷下塑性变形抗力提高的原因： a)位错运动速率增加，使派纳力增大，产生 附加强化。 b)迅速增加位错密度和滑移系数目，出现孪 晶，减小位错运动自由行程的平均长度， 增加点缺陷浓度。 c)塑性变形集中在局部区域，较之静载条件 极不均匀。 应变速率提高，材料塑性必定下降？应变速率提高，材料塑性必定下降？ 材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增 加而减小。 材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可 能提高。 应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)断面收缩率 应变速率对淬火回火35Cr

4、NiMoV钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)延伸率和断面收缩率 二、冲击弯曲试验 (GB229-84,GB2106-80) 1 试验特点： 冲击载荷 作用力在极短时间 （微秒）内有很大变化幅度，缺口试样（有 缺口效应），低温，都是致脆因素下测定试 样的冲击功。 2 加载方式：利用摆锤的势能，如下图所示， 测量试样变形和断裂所吸收的功称为冲击吸 收功。用AK表示，AKmg（H1-H2），单位 为焦耳J。 试样开缺口的目的： 在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限 在缺口附件不大的体积范围内，保证试样一 次就被冲断且使断裂发生在缺口处。 冲击试样尺寸及加工要求 3 试样形状：V

5、型和U型缺口试样，形状和尺寸 如图所示。测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材 料的冲击功时常采用10mm10mm55mm的 无缺口试样。 4 试验结果：试验机直接得到的结果为冲 击功AKV（AKU），用缺口处的截面积S去除以冲 击功便得到冲击韧度KV和KU，即 , 单位为J/cm2。 S AA aa KUKV KUKV 注意： （1）KV和KU不能进行对比； （2）截面不同不可比； （3）试验机不同不可比。 5 低温的施加方法：液氮酒精 （注意冻伤） 冲击功（冲击弹性功塑性功撕裂 功）空气阻力机身振动轴承与测量 机构的摩擦试样的飞出等。 冲击韧度只是一种混合的韧性指标， 在设计中不能定量使用。 表示

6、材料韧度的性能指标共有三个：冲击 韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力 韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载 荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件 下材料的韧度。 三、冲击韧度的工程意义 静力韧度材料在静拉伸时单位体积 材料从变形到断裂所消耗的功叫作静力韧 度。应力应变曲线下所包围的面积减去弹 性能表示。数学表达式可通过真应力应变曲 线求得 SK断裂时的真应力；eK断裂时的真应变 K K e S a 2 2 . 0 静 冲击韧性的意义：冲击韧度（冲击值KV和 KU）是一个综合性的力学性能指标，与材 料的强度和塑性有关。可检验材料的冶金质 量、冷脆倾向、缺口敏感性。 韧性材料的冲击试样

7、断口 裂纹源 缺口冲击试样的载荷挠度图 Ac：弹性变形功；Ap：塑性变形、变形强化和裂纹形 成等过程吸收的功；Ad：裂纹扩展功 PF 三种典型的冲击载荷位移曲线 强度高、塑性低、无裂纹扩展功部分，说明这种材料裂纹难以形成，但裂纹却极易 失稳扩展 强度较高，裂纹较难形成，且具有一定的抵抗裂纹扩展的能力 强度低并具有较大的抵御裂纹扩展的能力 四、多次冲击实验 当冲击次数N105时，属典型的疲劳断裂。 35钢的多冲曲线 冲击能量高时，材料的 多次冲击抗力主要取决 于塑性；冲击能量低时， 材料的多冲抗力主要取 决于强度 四、冲击试验的应用 1、 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

8、工工艺的质量。 2、 评定材料的冷脆倾向(韧脆转变温度）。 3、 对于s大致相同的材料，可以评定材料对 在冲击载荷下破坏的缺口敏感性。 4、 通过建立冲击功和其他力学性能指标间的 联系，替代较复杂的实验。 第二节第二节 低低 温温 脆脆 性性 一、系列冲击试验与低温脆性 系列冲击试验将某一材料制成的冲击 试样冷却到不同的温度测定冲击功，可得到这 种材料冲击韧性与温度的关系曲线。这种不同 温度下的冲击试验称为系列冲击试验。 低温脆性材料的强度随温度的降低而升高低温脆性材料的强度随温度的降低而升高 ，而塑性则相反。从韧性断裂转变为脆性，而塑性则相反。从韧性断裂转变为脆性 断裂，冲击吸收功明显下降，

9、断裂机理由断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由 微孔聚集型转变为穿晶解理，断口特征从微孔聚集型转变为穿晶解理，断口特征从 纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性 或冷脆。或冷脆。 左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是 近代船用钢板的冲击试样。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。 泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。 在2的海水中，泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸 收能仅有4焦耳。同样温度下，现代钢板纵向试验中吸 收能为3

10、25焦耳，横向试验中吸收能为100焦耳。 上节回顾 1、硬度实验 2、冲击实验 3、低温脆性 实验中归纳有3种不同的冲击吸收功温度关系曲线： 如：铜、铝 如：淬火态高碳马氏体钢 如：正火态20钢 第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆 性的，如淬火态的高碳马氏体钢等高强度钢； 第二类曲线显示具有面心立方结构的金属材料如Cu、 Al等在很低的实验温度下仍具有较高的韧性， 这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化 不敏感； 第三类曲线显示材料在一定的温度区间产生低温脆性 转变，如体心立方金属及其合金、某些密排六 方金属及其合金，及许多珠光体铁素体两相 钢。这类材料的屈服强度对温度和应变速率

11、的 变化十分敏感。 高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁 二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙 烯)等，也会发生低温脆性。 产生低温脆性的机理 材料低温脆性的产生与其屈服强度和断裂强度随 温度的变化有关。 s、s和c随温度变化示意图 s：体心立方金属等材料的屈服强 度 s：面心立方金属等材料的屈服强 度 c：材料的断裂强度 n体心立方金属及其合金、某些密排六方金属及其合 金，这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化 十分敏感。温度降低，屈服强度升高，当屈服强度 高于断裂强度时，产生脆性断裂。 n具有面心立方结构的金属材料如Cu、Al等的屈服强 度随温度的降低不

12、发生明显的升高，屈服强度总是 低于断裂强度，所以冷脆倾向不明显。 微观上，体心立方晶体中的位错阻力随温 度降低而增加，故该类材料发生低温脆性，面 心立方金属因位错宽度比较大，位错阻力对温 度变化较不敏感，故一般不显示低温脆性。 n体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。 n迟屈服即对材料施加一高速载荷到高于s，材料并 不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期(称为迟屈 服时间)才开始塑性变形。在孕育期中只产生弹性变 形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的 扩展，从而易表现为脆性破坏。 n缺口的存在会使材料 的屈服强度提高，韧 脆转变温度提高。t1 和t2之间的差值体现 了缺口对脆性转变温

13、度的影响。 缺口对韧脆转变温度的影响 缺口的存在对材料韧脆转变温度的影响 二、韧脆转化温度及其评价方法 韧脆转化温度由韧性状态（塑性变 形断裂）转变为脆性状态（弹性变形 断裂）的温度定义为韧脆转化温度。 韧脆转化温度的用途：在进行设计时， 了解这一温度可以确定当使用温度大于 它时，脆性断裂不会发生。 1、低温拉伸试验 低温缺口敏感度N来评定低温脆性，并确定tk。 T Tb N 2 . 0 0 缺口试样低温抗拉强度 光滑试样低温屈服强度 N1时，为缺口试样的tk。 评价方法： 能量法 2、低温冲击试验 (1)当低于某一温度材 料吸收的冲击能量基本 不随温度而变化，形成 一平台，以低阶能开始 上升

14、的温度定义tk，并 记为NDT，称为无塑性 或零塑性转变温度。 (2)高于某一温度材 料吸收的能量也基 本不变，形成一个 上平台，称为“高 阶能”。以高阶能 对应的温度为tk，记 为FTP。 (3)以低阶能和高 阶能平均值对应 的温度定义，并 记为FTE。 (4)与某一固定的 能量对应的温度。 如以Akv15尺磅 (20.3J)对应的温 度定义，并记为 V15TT 。 低碳钢船用钢板 断口形貌特征法依 据该法确定的韧脆转 化温度称为FATT。 断口上出现50纤维 状韧性断口和50脆 性结晶状断口的试样 所对应的温度。 冲击断口形貌示意图 第二节第二节 低低 温温 脆脆 性性 上述表明，由于定义

15、tk的方法不同，同一材料所得tk 亦有差异；同一材料，使用同一定义方法，由于外 界因素（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等） 的改变，tk也要变化。所以，在一定条件下用试样测 得的tk，因为和实际结构工况之间无直接联系，不能 说明该材料制成的机件一定在该温度下断裂。 两种钢材的冲击转变曲线 韧性温度储备 tt0-tk （2060 ） t0为工作温度 n3、落锤试验 缺口冲击试验虽然测量简单方便，试验成本也 低，但其测量的韧脆转化温度，在一般情况下 并不能代表实物构件的脆化温度，缺口冲击试 验所确定的脆化温度总是偏低。这主要是因为 缺口冲击试样尺寸小，其几何约束要比厚的实 物构件小，由于变形的几

16、何约束小带来的脆化 程度也相应地小一些。 n试验之前试样在所选 的低温条件下保温30- 45分钟，然后迅速将 其移至支座上，用落 锤对其冲击 。锤的冲 击能量是根据板材厚 度和材料的屈服强度 这两个参数决定的。 落锤试验示意图 焊堆长宽厚 64154mm n根据试验温度的高低，试样发生如下变化： 1、试样只发生塑性变形，不开裂； 2、试样拉伸面靠缺口附近出现裂纹，但未扩展到两 侧边； 3、裂纹扩展到试样的一侧边或两侧边； 4、试样完全碎裂。 这个温度叫做无塑性转变温度简称NDT，是产生无 塑性破坏的最高温度 。如试验温度低于NDT，则裂 纹就可自拉伸面横穿板的宽度直至边缘。 断裂分析图（FAD

17、） 断裂分析图表示 了应力、缺陷和 温度三个参数之 间的关系，只要 确定了其中任意 两个参数，就可 以求出第三个参 数。 三、影响材料低温脆性的因素 1晶体结构 bcc有冷脆，fcc无冷脆 2化学成分 间隙溶质元素含量增加，韧脆转 化温度升高，如含碳量增加，钢 的韧脆转化温度升高；杂质元素 含量增加，容易偏聚在晶界附 近，产生沿晶脆性断裂。 3 晶粒大小 tk=lnB-lnC-lnd-1/2 、B、C为常数， 与 i有关，C为裂纹扩 展阻力的度量； d：晶粒直径。 n原因：晶粒减小，晶界前塞积的位错数减少， 有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶 界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂； 晶界是裂纹扩展的阻力。 铁素体晶粒尺寸对韧脆转变温度的影响 上节回顾 1、低温脆性 2、韧脆转变温度及其表征方法 3、影响材料低温脆性的因素 4、金相组织 韧性增大的顺序：珠光体上 贝氏体下贝氏体回火索氏体； 钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性 的影响程度取决于第二相质点的大小、形 状、分布、第二相性质及其与基体的结合 力等因素。 热处理方式对钢的韧脆转变温度的影响 5、加载速率 提高加载速率，提