材料力学性能第三章—金属在冲击载荷下力学性能

1、江苏科技大学 材料科学与工程学院 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板Titanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。3 第三章第三章 金属在冲击载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能工程中，有许多机件是快速加载即冲击载荷工程中，有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静

2、载的不同。其性能将与常温、静载的不同。 冲击载荷与静载的主要差异冲击载荷与静载的主要差异：加载速率不同加载速率不同，是指载荷施加于试样或机件的速率，用单是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示位时间内应力增加的数值表示。 4 因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。因此，用率是单位时间的变形量。因此，用形变速率形变速率（又分绝（又分绝对变形速率和相对变形速率）对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速可以间接地反映加载速率的变化率的变化。相对变形速率又称应变率相对变形速率又称应变率。 不同机件的应变速率

3、范围大约为不同机件的应变速率范围大约为10-6106s-1。静。静拉伸试验的应变速率为拉伸试验的应变速率为10-510-2s-1，冲击试验的应，冲击试验的应变速率为变速率为102104s-1。试验表明，应变速率在。试验表明，应变速率在10-410-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。荷处理。当应变速率大于当应变速率大于1010-2-2s s-1-1时，力学性能将发生时，力学性能将发生明显变化明显变化。 断裂原因：断裂原因： 材料缺陷材料缺陷 疲劳疲劳 冲击载荷冲击载荷飞机起落架飞机起落架6 缺口缺口 冲击载荷冲击载荷 降低温度降低温度

4、 钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的断裂功极低，冷脆的断裂功极低，后果是灾难性的后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断数量级，即使力很大，断裂所消耗的功裂所消耗的功W=F.S也相当低）。也相当低）。 使塑性变形得不到充分发展，更使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的灵敏地反映材料的变脆倾向变脆倾向。 （脆断趋势）（脆断趋势）73-1 3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击

5、载荷下金属变形和断裂的特点 1、冲击载荷下，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。 2、由于冲击过程持续时间短，测量不准确，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。8 3、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 因弹性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982 m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有55.5m/s，冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。9 4、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行分

6、进行，原因为，原因为： 冲击载荷下位错运动速率大，滑移临界切应力增大，产生附加强化；使许多位错源同时起作用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。 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。10 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。冲击载荷下屈服强度抗拉强度提高5、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。11 6、塑性、韧性随应变率增加而变化的特征与、塑性、韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。断裂方式有关。 如果

7、在一定加载条件及温度下：如果在一定加载条件及温度下： 材料产生正断材料产生正断，则断裂应力变化不大，随应，则断裂应力变化不大，随应变率的增加塑性减小；变率的增加塑性减小； 如果如果材料产生切断材料产生切断，则断裂应力随着应变率，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。高。123-2 3-2 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性 一、冲击韧性一、冲击韧性 是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的。常用标准试样的冲击冲击

8、吸收功吸收功A AK K来表示。来表示。 二、冲击试样二、冲击试样 如图所示如图所示 1、冲击弯曲试验试样的种类：、冲击弯曲试验试样的种类： 夏比夏比v型缺口冲击试样型缺口冲击试样 夏比夏比u型缺口冲击试样型缺口冲击试样 无缺口冲击试样无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）钢、淬火钢等） 缺口试样缺口试样13 2、冲击试样、冲击试样开缺口的目的开缺口的目的 使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。断。 缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，著。缺口越

9、深、越尖锐，Ak值越小，材料表现的值越小，材料表现的脆性越大。脆性越大。 所以，不同类型和尺寸试样的所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互值不能相互换算和直接比较。换算和直接比较。 14 三、冲击弯曲试验三、冲击弯曲试验 1、冲击试验：、冲击试验：国家标准国家标准GB/T2292007金属材料金属材料 夏比摆锤夏比摆锤冲击试验方法冲击试验方法。Kmg(H1-H2) 对采用对采用u型缺口和型缺口和v型缺型缺口的试样，其冲击吸收功分口的试样，其冲击吸收功分别用别用Aku和和Akv来表示。试验来表示。试验前需对试验机进行校核。前需对试验机进行校核。 旧标准使用旧标准使用ak（冲击韧（冲击韧性）作为

10、性能指标。性）作为性能指标。 15 四、冲击值的意义和讨论四、冲击值的意义和讨论 1、a ak k值没有明确的物理意义值没有明确的物理意义 其一：冲断试样时其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。 其二：其二：吸收能量是体积的而不是面积吸收能量是体积的而不是面积，所以用，所以用单位面积吸收的能量单位面积吸收的能量ak来表示材料冲击条件下的韧来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够明确。性，其物理

11、意义不够明确。 16 2、A Ak k或或K K值相同的材料，其韧性不一定相同值相同的材料，其韧性不一定相同 因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小小。（。（图图） 17 3 3、冲击吸收能量冲击吸收能量K K（冲击吸收

12、功（冲击吸收功A AK K）并非完）并非完全用于试样变形和破断。全用于试样变形和破断。 冲击试验时，摆锤所消耗的总功冲击试验时，摆锤所消耗的总功k一部分一部分用用于试样的变形和破断。于试样的变形和破断。另一部分另一部分消耗于试样的掷消耗于试样的掷出、机身振动、克服空气阻力以及轴承和测量机出、机身振动、克服空气阻力以及轴承和测量机构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略不计的。不计的。当摆锤轴线与缺口中心线不一致时当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上，上述功耗比较大，所以不同试验机和不同人员操作述功耗比较大，所以不同试验机和不同人员操作的的k值相差值相差

13、1030。 18 五、冲击试验的应用五、冲击试验的应用 尽管用尽管用ak、Ak或或K作为一个力学性能指标来表作为一个力学性能指标来表示冲击韧性存在着各种不足之处，但其值的大小示冲击韧性存在着各种不足之处，但其值的大小对材料的组织十分敏感，能敏感地反映出材料品对材料的组织十分敏感，能敏感地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。同时，在质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。同时，在生产上的长期应用，已经积累了大量有价值的资生产上的长期应用，已经积累了大量有价值的资料和数据。常用来检验冶金、热加工质量。现在料和数据。常用来检验冶金、热加工质量。现在还广泛应用在以下几个方面：还广泛应用在以下几个方

14、面： 19 1、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量（如图所示如图所示） 检验冶金缺陷检验冶金缺陷：夹渣、气泡、严重分层、偏：夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级。析以及夹杂物超级。 检验锻造和热处理缺陷检验锻造和热处理缺陷：过热、过烧、回火：过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等。脆性、淬火和锻造裂纹等。 2、根据系列冲击试验，可、根据系列冲击试验，可测得测得k与温度的关与温度的关系曲线系曲线，测定材料的韧脆转变温度、蓝脆、重结，测定材料的韧脆转变温度、蓝脆、重结晶脆性。晶脆性。 20 3、作为材料承受大能量冲击破坏时的抗力作为材料承受大能量冲击破坏时

15、的抗力指标指标。 如对装甲板之类的结构件，冲击功就是一个如对装甲板之类的结构件，冲击功就是一个重要抗力指标。但对承受小能量多次冲击（成千重要抗力指标。但对承受小能量多次冲击（成千上万次）的结构件，用冲击功作为抗力指标并不上万次）的结构件，用冲击功作为抗力指标并不合适。合适。213-3 3-3 低温脆性低温脆性一、低温脆性现象一、低温脆性现象 1、定义：体心立方金属及合金或某些密排六方金属及其合金，随试验温度的下降而降低，在试验温度低于某一温度时，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断裂变为穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状。这种现象称为低温脆性，又称为冷脆。这

16、种转变称为韧脆转变。 转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。 面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。22在1912年，英国探险家斯科特率领一支探险队带了大量给养，包括液体燃料去南极探险，一去就杳无音信。后来发现他们都冻死在南极。带了那么多的燃料为什么还无济于事呢？原来，斯科特一行在返回的路上发现，他们的第一个储藏库里的煤油已经不翼而飞。说明一点，盛煤油的铁筒是用锡焊的。没有煤油就无法取暖，也无法热点东西吃。好不容易克服千难万险，又找到了另一个储藏库，可是那儿的煤油筒同样是空空的，铁筒同样有裂缝，显然煤油都是由于铁筒漏了而流失掉的。23锡瘟锡瘟21 dkyis 摩擦阻力摩擦阻力晶格阻

17、力晶格阻力位错阻力位错阻力212aEsc与温度基本无关与温度基本无关Ttk时时:当当sc，韧断，韧断Tc，脆断，脆断晶格阻力对温度敏感晶格阻力对温度敏感，且且bcc和和hcpfcc二、脆韧转变温度 韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度和塑性都可用来表示韧性。 1.按能量法定义的 方法 2.按断口形貌定义 的方法ktkt 1.按能量法定义 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而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。 以低阶能开始上升的温度定义为，并记NDT(Nil Ductility Tempera

18、ture)，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，出现一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为，记为 FTP(Fracture Transition Plastic)。 (3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE（Fracture Transition Elastic)。kt2. 按断口形貌定义 的方法冲击试样冲断后，其断口形貌如图3-7所示。 ktkt 韧脆转变温度 是金属材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性的影响，也是从韧性角度选材的重要依据之一 。例28需要说明的是需要说明的是：tk属于韧性指标，也是安全性指标。但不能直属于

19、韧性指标，也是安全性指标。但不能直接用于机件的设计计算接用于机件的设计计算；因因定义定义tk的方法不同，同一种材料的也不同，的方法不同，同一种材料的也不同，同一种材料使用同一种方法时，可能因为外界因素同一种材料使用同一种方法时，可能因为外界因素（试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率等）的改变（试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率等）的改变也要发生变化。也要发生变化。三、落锤试验50年代初，派林尼（年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出）等人提出用于测定全厚钢板的用于测定全厚钢板的NDTn组成：组成：垂直导轨、垂直导轨、重锤和砧座组成重锤和砧座组成25mm90mm350mm19mm50mm

20、125mml 温度下降温度下降n不裂；不裂；n拉伸表面部分形成裂纹，但未发展拉伸表面部分形成裂纹，但未发展到边缘；到边缘；n拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边；侧边；n试样断成两部分试样断成两部分nNDTNDT确定：取拉伸侧表面裂纹发展到确定：取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边的最高温度一侧边或两侧边的最高温度。例例四、断裂分析图（FAD）300cs2sbt20040025NDTB弹性塑性33NDT 76NDTACFTEFTPA区可能发生脆断区可能发生脆断区可能发生韧断区可能发生韧断区不断裂，一直稳定区不断裂，一直稳定&提示：提示：ABCABC表示不同应力水平下

21、脆性裂纹扩展的终止温表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度度裂纹终止线（裂纹终止线（CATCAT）应力、温度、缺陷s323-3 3-3 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 一、材料方面的因素（内因）一、材料方面的因素（内因） 1 1、晶体结构和强度等级晶体结构和强度等级 体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向明显，密排六方金属不明显（原因在于派纳力的明显，密排六方金属不明显（原因在于派纳力的高低）。中低强度钢一般属于体心立方金属，脆高低）。中低强度钢一般属于体心立方金属，脆断倾向明显。高强度钢断倾向明显。高强度钢tk不明显。

22、不明显。33 2 2、化学成分的影响化学成分的影响 间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度转变温度tk提提高。高。 3 3、晶粒尺寸的影响晶粒尺寸的影响 细化晶粒可提高韧性，降低细化晶粒可提高韧性，降低tk 。34 4 4、金相组织的影响金相组织的影响 在较低强度水平时在较低强度水平时，强度相等而组织不同的，强度相等而组织不同的钢，以钢，以S回回最好，最好，B回回火组织次之，片状珠光体组织火组织次之，片状珠光体组织最差。最差。 较高强度水平时较高强度水平时，以，以B下下优于同等强度的淬优于同等强度的淬火回火组织。火回火组织。 在相同强度水平下在相同

23、强度水平下，B上上的韧脆转变温度高的韧脆转变温度高于于B下下。低碳钢低温。低碳钢低温B上上的韧性高于的韧性高于M回回。这是由于。这是由于低温形成的低温形成的B上上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。制，减少了晶界裂纹所致。35 在低合金钢中，经不完全等温处理获得在低合金钢中，经不完全等温处理获得B和和M混合组织，其韧性比单一混合组织，其韧性比单一M或或B要好要好。这是由。这是由于于B先于先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随形成，事先将奥氏体分成几部分，随后形成的后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极限制在较小范围内，获得组织单元极为细小的混

24、合组织。裂纹在此种组织内扩展要多为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。 在某些马氏体钢中存在奥氏体在某些马氏体钢中存在奥氏体，可改善钢，可改善钢的韧性，抑制解理断裂。的韧性，抑制解理断裂。36 二、外部因素的影响二、外部因素的影响 促使材料脆化的因素为温度、形变速度、试促使材料脆化的因素为温度、形变速度、试样尺寸、应力状态等。样尺寸、应力状态等。 1 1、形变速度的影响形变速度的影响 提高变形速度有类似降温的作用。但是在常提高变形速度有类似降温的作用。但是在常用的冲击速度范围内（用的冲击速度范围内（46m/s），改变变形速），改变变形速度对韧脆转变温度影响不大。度对韧脆转变温度影响不大。37 2 2、试样尺寸及取样部位的影响试样尺寸及取样部位的影响 试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比例减少，韧脆转变温度提高。原因是：尺寸越大，例减少，韧脆转变温度提高。原因是：尺寸越大，出现缺陷的几率