材料力学性能 第四三章 金属在冲击载荷下的力学性能

1、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n 概述概述为了评定材料传递冲击载荷的能力为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学揭示材料在冲击载荷下的力学 行为，需要进行相应的冲击力学性能试验。行为，需要进行相应的冲击力学性能试验。加载速率定义：加载速率定义：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内 应力增加的数值来表示。应力增加的数值来表示。本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点，主要讨论缺口本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点，主要讨论缺口 试样冲击试验方法和金属材料的低温脆性。试样冲击试验方法和金

2、属材料的低温脆性。 静载荷作用时：静载荷作用时：塑性塑性变形比较均匀的分布变形比较均匀的分布在各个晶粒中；在各个晶粒中； 冲击载荷作用时：冲击载荷作用时：塑塑性变形则比较集中于性变形则比较集中于某一局部区域，反映某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。了塑性变形不均匀。 这种不均匀限制了塑这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致性变形的发展，导致了了屈服强度、抗拉强屈服强度、抗拉强度度的提高。的提高。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n 冲击特点冲击特点n 冲击韧性的定义：冲击韧性的定义： 指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用标准试指材料在冲击载荷作用

3、下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功样的冲击吸收功Ak表示。表示。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 试验在摆锤式冲击试验机上进试验在摆锤式冲击试验机上进行。行。 试验过程：试验过程： 将样品水平放在试验机的支座将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。上，缺口位于冲击相背的方向。 然后将具有一定质量然后将具有一定质量m的摆锤的摆锤举至一定高度举至一定高度H1，使其获得一，使其获得一定位能定位能mgH1。 释放摆锤冲断试样，摆锤的剩释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为余能量为mgH2，则摆锤冲断，则摆锤冲断试样失去的位能为试样失去的位

4、能为mgH1-mgH2，这就是试样变形和断，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以功，以Ak表示，单位为表示，单位为J。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n 冲击试验的主要用途冲击试验的主要用途 (1) 控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。 通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析，可揭示原料中的夹渣、通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析，可揭示原料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热

5、、过烧、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。回火脆性等锻造或热处理缺陷。 (2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可行根据系列冲击试验（低温冲击试验）可行Ak与温度的关系曲线，与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。测定材料的韧脆转变温度。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n 缺口冲击试验机介绍缺口冲击试验机介绍主要技术参数及指标：主要技术参数及指标：1 摆锤预扬角：摆锤预扬角：1502 摆轴中心至打击中心的距离：摆轴中心至打击中心的距离：750mm、800mm3 冲击速度：冲击速度：5.2m/s、5.4m

6、/s4 最大冲击能量：最大冲击能量：300J/500J、500J/250J5 试样支座跨距：试样支座跨距：40mm6 试样支座端圆弧半径：试样支座端圆弧半径：R1-1.5mm7 冲击刀圆弧半径：冲击刀圆弧半径：R2-2.5mm8 冲击刀两斜面夹角：冲击刀两斜面夹角：309 冲击刀厚度：冲击刀厚度：16mm10 主机外形尺寸：主机外形尺寸：2124mm600mm1340mm、2300mm600mm1400mm11 重量：重量：480kg、580kg JB-S300数显冲击试验机数显冲击试验机第三章第三章 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技术参数：技术参数：1 冲击能量：冲击能

7、量：300J、150J/500J、250J2 摆锤预扬角：摆锤预扬角：1503 冲击速度：冲击速度：5.2m/s/5.4m/s4 试样支座跨距：试样支座跨距：40mm5 钳口圆角：钳口圆角：R1-1.5mm6 冲击刀刃圆角：冲击刀刃圆角：R2-2.5mm7 试样规格：试样规格：551010mmJB-300/500W微机控制冲击试验机微机控制冲击试验机第三章第三章 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优点：优点：记录载荷记录载荷- -位移曲线，计算冲击功。位移曲线，计算冲击功。n 低温脆性的定义低温脆性的定义 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特体心立方晶体金

8、属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试珠光体钢），在试验温度低于某一温度验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸时，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变为穿晶解理，断口特征收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性低温脆性。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 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（年当年最为豪华、号称永不沉没的泰

9、坦尼克号（Titanic）首航沉没）首航沉没于冰海，成了于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 1985年以后，探险家们数次深潜到年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出英尺深的海底研究沉船，起出遗物。遗物。1995年年2月美国月美国科学大众科学大众（Popular Science）杂志发表了）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是的文章，标题是What Really Sank The Titanic,付标题是付标题是“为什么为什么不会沉没的不会沉没的船在撞上一个冰山后船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的小时就沉没了？一项新的

10、科学研究回答了科学研究回答了80年未解之谜年未解之谜“。 由于早年的由于早年的Titanic 号采用了含号采用了含硫高的钢板，韧性很差硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈，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。具有相当好的韧性。 Titanic号钢板号钢板(左图左图)和近代船用钢板和近代船用钢板(右图右图)的冲击试验结果的冲击试验结果 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 右图是建造中的右图是建造中的Titanic 号。号。 Gannon 的文章指

11、出，的文章指出，在水线上下都由在水线上下都由10 张张30 英尺长的高含硫量英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成脆性钢板焊接成300英英尺的船体。尺的船体。 船体上可见长长的焊缝。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无裂开时，脆性的焊缝无异于一条异于一条300英尺长的英尺长的大拉链，使船体产生很大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。入使船迅速沉没。 这是钢材韧性与人身安这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。全的一个突出例证。 建造中的建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长号，可以看到船身上长长的焊缝的焊缝第三章

12、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 低温脆性是材料屈服强度随低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结着温度的降低急剧增加的结果。果。 屈服点随着温度的下降而升屈服点随着温度的下降而升高，但材料的解理断裂强度高，但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小，随着温度的变化很小， 两线交点对应的温度就是两线交点对应的温度就是tk。n 韧脆转变温度韧脆转变温度第三章第三章 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1、能量准则、能量准则2、断口形貌准则、断口形貌准则3、断口变形特征准则、断口变形特征准则n 韧脆转变温度的评定韧脆转变温度的评定第三章第三章 金属在

13、冲击载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能n 按能量定义按能量定义tk的方法的方法 (1) 当低于某一温度，金属材料吸当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度变化，收的冲击能量基本不随温度变化，形成一个平台，该能量称为形成一个平台，该能量称为“低低阶能阶能”。 (2) 高于某一温度时，材料吸收的高于某一温度时，材料吸收的冲击功基本不变，出现一个上平冲击功基本不变，出现一个上平台，称为台，称为“高阶能高阶能”。 (3) 以低阶能和高阶能平均值对应以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义的温度定义tk，记为，记为FTE（Fracture Transition Elastic）。）。 以高

14、阶能对应的温度定义以高阶能对应的温度定义tk，记为，记为FTP（Fracture Transition Plastic）。）。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n 按断口形貌定义按断口形貌定义tk的方法的方法试验表明，在不同试验温度试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。寸）是不同的。温度下降，纤维区面积突然温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断通常取结晶区面积占整个断口面

15、积的口面积的50%时的温度为时的温度为tk，记为记为50%FATT或或FATT50、t50。(Fracture Appearance Transition Temperature)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 韧脆转变温度韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。 机件的最低使用温度必须高于机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全，所以选，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是

16、说具有一定的用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的值，值，=t0-tk。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n 落锤试验落锤试验 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）等人提出了落锤）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材，以作为评定材料的性能标准。料的性能标准。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n 落锤试验机示意图落锤试验机示意图 落锤试验机由垂直导轨（支落锤试验机由垂直导轨（支持重

17、锤）、能自由下落的重持重锤）、能自由下落的重锤和砧座等组成，见右图。锤和砧座等组成，见右图。 重锤锤头是一个半径为重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度不的钢制圆柱，硬度不小于小于50HRC。 重锤可升到不同高度，以获重锤可升到不同高度，以获得得340-1650J的能量。的能量。 砧座上除了两端的支承块外，砧座上除了两端的支承块外，中心部分还有一个挠度终止中心部分还有一个挠度终止块，以限制试样产生过大的块，以限制试样产生过大的塑性变形。塑性变形。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n 落锤试验机实物图落锤试验机实物图TLC-300落锤冲击试验机适用于热塑性塑

18、落锤冲击试验机适用于热塑性塑料管材、管件和硬质塑料板材的耐冲击试料管材、管件和硬质塑料板材的耐冲击试验。验。最大冲击能量最大冲击能量 300J最大冲击高度最大冲击高度 2m 标尺误差标尺误差 落锤组合质量落锤组合质量 最大组合质量最大组合质量15KG 0.1%冲头规格：冲头规格： A R=10mmB R=20mC R= 5mmBB R=30mm冲击中心与夹具中心偏差不大于冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm电动提升机构电动提升机构 最大提升力最大提升力20kgf牵引电磁铁最大吸力不小于牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf管材管材V型托板型托板 20030025mm3试样尺寸试样尺寸 直径直径20-

19、400mm TLC-300落锤冲击试验机落锤冲击试验机第三章第三章 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 试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处试样冷却到一定温度后放在砧座上，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。随着试样温度的下降，其于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：力学行为发生如下变化： 没有出现裂纹没有出现裂纹拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘拉伸拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边试样断成两部分。试样断成两部分。n 无塑性转变温度无塑性

20、转变温度NDT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n NDT判据判据常用的设计准则（根据工作应力）：常用的设计准则（根据工作应力）：工作应力小于工作应力小于3555MPa，可选择实物的最低工作温度大于等，可选择实物的最低工作温度大于等于于NDT的材料。的材料。工作应力小于等于工作应力小于等于0.5屈服强度，可选择实物的最低工作温度大屈服强度，可选择实物的最低工作温度大于等于于等于NDT17的材料，压力容器多采用此标准。的材料，压力容器多采用此标准。工作应力小于等于屈服强度，可选择实物的最低工作温度大于工作应力小于等于屈服强度，可选择实物的最低工作温度大于等于等于NDT33的材料，核反应堆材料多采用此标准。的材料，核反应堆材料多采用此标准。工作应力小于抗拉强度，要求其不产生脆断而完全是剪切破坏，工作应力小于抗拉强度，要求其不产生脆断而完全是剪切破坏，可选择实物的最低工作温度大于等于可选择实物的最低工作温度大于等于NDT67的材料，潜艇材的材料，潜艇材料多采用此标准。料多采用此标准。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 通过落锤试验所得通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图（可以建立断裂分析图（FAD，Fracture Analysis Diagram），表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间），表示许用应力、缺陷（裂