第三章材料的冲击韧性及低温脆性

1、第三章第三章 材料的冲击韧性及低温脆性材料的冲击韧性及低温脆性冲击载荷与静载荷区别：冲击载荷与静载荷区别： 加载速率加载速率不同，即形变（应变）速率不同。不同，即形变（应变）速率不同。 加载速率加载速率即载荷施加于试样的速率。即载荷施加于试样的速率。1 1、评定材料承受、评定材料承受冲击载荷冲击载荷的能力；的能力； 揭示材料在揭示材料在冲击载荷冲击载荷下的力学行为。下的力学行为。2 2、主要介绍材料在、主要介绍材料在冲击载荷冲击载荷下的力学行为下的力学行为 和性能特点和性能特点 以及金属材料的以及金属材料的低温脆性低温脆性。第三章第三章 材料的冲击韧性及低温脆性材料的冲击韧性及低温脆性3.1

2、3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性3.2 3.2 低低 温温 脆脆 性性3.1 3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验一、冲击弯曲试验 1.1.一次冲击弯曲试验一次冲击弯曲试验 试验原理：试验原理： 摆锤式冲击试验机；摆锤式冲击试验机； 摆锤摆锤(G)(G)举至举至H H1 1的位置的位置( (位能为位能为GHGH1 1) )； 释放摆锤；释放摆锤； 冲断试样；冲断试样； 摆锤摆锤(G)(G)至至H H2 2的位置的位置( (位能为位能为GHGH2 2) )； GHGH1 1-GH-GH2 2=A=AK K 此即为此即为冲击吸收功冲击吸收功(A(

3、AKUKU和和A AKVKV) )。 GB229-84GB229-84和和GB2106-80GB2106-80。 缺口试样缺口试样 夏比夏比(Charpy)U(Charpy)U型和型和V V型型 ；3.1 3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性2.2.多次冲击试验多次冲击试验 (1)(1)冲击次数少于冲击次数少于500-1000500-1000次，次， 与一次冲击相同；与一次冲击相同； 冲击次数冲击次数10105 5时，时， 典型的典型的疲劳断口疲劳断口特征。特征。 冲击频率冲击频率( (冲击次数冲击次数) )： 450450周次周次/min/min和和600600周次周次/mi

4、n/min。 冲击能量冲击能量A A ：J1.5J； 冲击功冲击功A-A-冲断次数冲断次数N N曲线。曲线。 随随A A的减少，的减少，N N增加。增加。 (2) (2)多次冲击试验多次冲击试验: : 落锤式多次冲击试验机落锤式多次冲击试验机PC-l50PC-l50。3.1 3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义二、冲击韧性及其工程意义 1.1.一次冲击一次冲击 (1)(1)冲击韧度或冲击值冲击韧度或冲击值KUKU(KVKV):): 用试样缺口处截面用试样缺口处截面F FN N(cm(cm2 2) )去除去除A AKUKU(A(AKVKV

5、) )。即。即 KUKU(KVKV) )A AKUKU(A(AKVKV)/F)/FN N (2) (2)冲击功冲击功: : GH GH1 1-GH-GH2 2=A=AK K (3) (3)工程意义工程意义: : 反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量；反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； 测定材料的测定材料的韧脆性转变温度韧脆性转变温度； 对对s s大致相同的材料，根据大致相同的材料，根据A AK K值可以评定材料对值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。大能量冲击破坏的缺口敏感性。3.1 3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性2.2.多次冲击多次冲击 (1)(1)某

6、种冲击能量某种冲击能量A A下的下的冲断周次冲断周次N N； (2)(2)要求的冲击工作寿命要求的冲击工作寿命N N时的时的冲断能量冲断能量A A。 (3)(3)多冲抗力取决于塑性和强度：多冲抗力取决于塑性和强度： A A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性；高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； A A低时，多冲抗力主要取决于强度。低时，多冲抗力主要取决于强度。 不同的不同的A A要求不同的强度与塑性配合。要求不同的强度与塑性配合。 高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较大作用；击疲劳抗力有较大作用； 而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提

7、高冲击疲劳而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力作用不大。抗力作用不大。3.1 3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应三、冲击脆化效应 冲击载荷和静载荷失效相同点：冲击载荷和静载荷失效相同点： 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂过量弹性变形、过量塑性变形和断裂 冲击载荷和静载荷失效不同点：冲击载荷和静载荷失效不同点： 变形速率不同；变形速率不同； 冲击载荷主要表现为脆性（脆化）；冲击载荷主要表现为脆性（脆化）； 塑性变形主要集中在局部区域。塑性变形主要集中在局部区域。 冲击脆化主要原因：冲击脆化主要原因： (1)(1)应变速率。应变速率。 应变速率对金属材

8、料的弹性行为及弹性模量没有影响，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)(2)冲击载荷。冲击载荷。 使金属产生附加强化；使金属产生附加强化； 增加位错密度和滑移系数目，增加位错密度和滑移系数目， 出现孪晶，出现孪晶， 减小位错运动自由行程的平均长度，减小位错运动自由行程的平均长度， 增加点缺陷浓度等。增加点缺陷浓度等。3.2 3.2 低低 温温 脆脆 性性一、系列冲击实验与低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 1 1、系列冲击实验、系列冲击实验 不同不同温度温度( (低、室、高温低、室、高温) )下的冲击试验。

9、下的冲击试验。 冲击韧性冲击韧性K K(A(AK K) )与温度与温度t t的关系曲线的关系曲线( (A AK Kt t) )。 2 2、低温脆性：、低温脆性： 当当ttttk k时，由韧性状态变为脆性状态，时，由韧性状态变为脆性状态， 冲击吸收功明显下降，冲击吸收功明显下降， 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理， 断口特征由纤维状变为结晶状。断口特征由纤维状变为结晶状。 3 3、t tk k称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 4 4、机理、机理( (自学自学) )3.2 3.2 低低 温温 脆脆 性性二、韧脆转化温度及其评价方法二、韧

10、脆转化温度及其评价方法 1 1、能量法：、能量法： (1)(1)无塑性或零塑性转变温度无塑性或零塑性转变温度NDTNDT： 低阶能：低于某一温度，低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。 低阶能开始上升的温度为低阶能开始上升的温度为t tk k ( (即即NDT)NDT)。 NDTNDT以下，断口由以下，断口由100100结晶区结晶区( (解理区解理区) )组成。组成。 (2) FTP(2) FTP： 高阶能：高于某一温度，高阶能：高于某一温度， 吸收的能量基本不变，形成一个上平台。吸收的能量基本不变，形成一个上平台。 以高阶能对

11、应的温度为以高阶能对应的温度为t tk k ( (即即FTP)FTP)。 高于高于FTPFTP的断裂，得到的断裂，得到100100的纤维状断口。的纤维状断口。 (3) FTE(3) FTE： 低阶能和高阶能平均值对应的温度。低阶能和高阶能平均值对应的温度。 (4) V(4) V1515TTTT： 以以A AKVKV=15=15尺磅尺磅(20.3Nm)(20.3Nm)对应的温度。对应的温度。3.2 3.2 低低 温温 脆脆 性性2 2、断口形貌法：、断口形貌法： (1)(1)断口形貌：断口形貌： (2)50%FATT(FATT (2)50%FATT(FATT5050,t,t5050) )： 通常取结晶区面积占整个断口面通常取结晶区面积占整个断口面积积5050时的温度为时的温度为t tk k 。 由纤维区由纤维区F F、 放射区放射区( (结晶区结晶区)R)R、 剪切唇剪切唇S S组成。组成。 t t不同，相对面积不同。不同，相