第三章金属在冲击载荷下的力学性能

1、材料性能学第三章第三章 金属在冲击载荷金属在冲击载荷下的力学性能下的力学性能材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum主要内容主要内容低温脆性低温脆性影响韧脆转变温度的冶金因素影响韧脆转变温度的冶金因素冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性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材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum建造中的建造中的Titanic 号号沉没原因：沉没原因： 船

2、体材料差船体材料差 低温环境低温环境 冲击载荷冲击载荷TITANICTITANIC与冲击载荷与冲击载荷材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumTitanic 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。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能

3、学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3.1 3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下金属变形和断裂的特点l冲击载荷与静载荷比较：冲击载荷与静载荷比较：均为弹性变形、塑性变形、断裂。均为弹性变形、塑性变形、断裂。加载速率不同加载速率不同 应变速率应变速率dtde10-410-2 静载荷处理静载荷处理10-2 考虑应变速率影响考虑应变速率影响脆性增大脆性增大材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml

4、 冲击力测不准冲击力测不准! !n假定冲击能假定冲击能弹性能，能量守恒弹性能，能量守恒l 应变速率对材料的弹性行为及应变速率对材料的弹性行为及E E无影响无影响n4982m/s 54982m/s 55.5m/s 5.5m/s l 冲击载荷下塑性变形难以充分进行且极不均匀冲击载荷下塑性变形难以充分进行且极不均匀n应变速率硬化应变速率硬化ns s、b b升高升高材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China

5、 University of Petroleum3.2 3.2 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性l一次摆锤冲击弯曲试验一次摆锤冲击弯曲试验 (GB/T 229-1994)(GB/T 229-1994)l加载速率加载速率+ +缺口效应缺口效应材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum冲击韧性：冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。l 冲击吸收功（冲击吸收功（A Ak k）：摆锤冲断试样所失去的能量，：摆锤冲断试样所失去的能量，单位为单位为J J。l

6、 冲击韧度（冲击韧度（a ak k）：单位为：单位为J/cmJ/cm2 2 l 韧性与温度有关韧性与温度有关脆性转变温度脆性转变温度T TK Kl A Ak k或或a ak k越大，韧性越好越大，韧性越好材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum试样尺寸：试样尺寸： 101055mm；l无缺口无缺口lU缺口：缺口：Aku或或akulV缺口：缺口：Akv或或akv材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petr

7、oleumn技术参数：技术参数：n冲击能量：冲击能量：300J、150J/500J、250Jn摆锤预扬角：摆锤预扬角：150n冲击速度：冲击速度：5.2m/s5.4m/sn试样支座跨距：试样支座跨距：40mmn钳口圆角：钳口圆角：R1-1.5mmn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材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3.3 3.3 低温脆性低温脆性nBCC（HCP）（）（F+P钢）钢）n温度下降时温度下降时tk：材料状态：韧性状

8、态材料状态：韧性状态脆性状态脆性状态断裂机理：微孔聚集断裂机理：微孔聚集穿晶解理穿晶解理断口特征：纤维状断口特征：纤维状结晶状结晶状一、低温脆性现象材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn材料由韧性状态变为脆材料由韧性状态变为脆性状态的温度，性状态的温度，t tk kn出现的原因：出现的原因：t（温度）（温度）s急剧增加急剧增加c基本不变基本不变l

9、 韧脆转变温度韧脆转变温度21 dkyis 摩擦阻力摩擦阻力晶格阻力晶格阻力位错阻力位错阻力晶格阻力对温度敏感，晶格阻力对温度敏感，且且bcc和和hcpfcc212aEsc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，脆断材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、韧脆转变温度l 系列系列(温度温度)冲击弯曲试验冲击弯曲试验冲击吸收功冲击吸收功- -温度曲线温度曲线断口形貌中各区所占面积断口形貌中各区所占面积和温度曲线和温度曲线塑性变形量塑性变形量与温度曲线与温度曲

10、线求得求得tk1. 按能量定义tk的方法n(1) (1) 下平台，下平台， “ “低阶能低阶能”。NDTNDT: : 100100结晶断口结晶断口n(2) (2) 上平台，上平台， “ “高阶能高阶能”。 FTPFTP：100100纤维区纤维区n(3) (3) 以低阶能和高阶能平以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义均值对应的温度定义t tk k，记，记为为FTEFTE材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. 按断口形貌定义tk的方法n温度下降，材料由韧变脆温度下降，材料由韧变脆n取结晶区

11、占整个断口面积取结晶区占整个断口面积50%50%时的温度为时的温度为t tk k，记为，记为50%FATT(Fractrue 50%FATT(Fractrue Appearance Transition Appearance Transition Temperature)Temperature)或或FATTFATT5050、t t5050材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3. 韧脆转变温度储备n韧性指标韧性指标n安全性指标安全性指标ntk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用

12、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。来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。n韧脆转变温度储备韧脆转变温度储备 tt0-tk t取值：取值： 20 60 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、落锤试验（DWTT）n50年代初，派林尼（年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出）等人提出n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n25mm，50HRCn3401650J25

13、mm90mm350mm19mm50mm125mmAPI RP 5L3GB/T8363-1987材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 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。材料性能学材料性能学Pr

14、operty of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn零塑性转变温度零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分性断裂设计根据的一部分材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum落锤试验的缺点：落锤试验的缺点： 未考虑板厚的影响未考虑板厚的影响 不能定量评定脆性断裂不能定量评定脆性断裂四、断裂分析图（FAD）300ct20040025NDTB弹性塑性33NDT 76NDTACFTEF

15、TPA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：A ABCBC表示不同应力水平下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s材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3.4 3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素影响韧脆转变温度的冶金因素一、晶体结构一、晶体结构nBCC及合金存在低温脆性及合金存在低温脆性材料性能学材料性能学Property of Mat

16、erials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、化学成分二、化学成分C%0.1%C%0.1%t tk k升高升高13.913.9材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum间隙原子显著提高材料的间隙原子显著提高材料的tk置换原子只有置换原子只有Ni、Mn降低降低tk Mn/C3S、P、As等偏聚于晶界，降低材料韧性等偏聚于晶界，降低材料韧性材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China Unive

17、rsity of Petroleum 三、晶粒大小三、晶粒大小n细化晶粒细化晶粒韧性增加韧性增加n(1) 晶界是裂纹扩展的阻力；晶界是裂纹扩展的阻力；n(2) 晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；n(3) 晶界上杂质浓度减小，避免了沿晶脆性断裂晶界上杂质浓度减小，避免了沿晶脆性断裂材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml第二相性质、形态、尺寸、大小、分布有显著影响第二相性质、形态、尺寸、大小、分布有显著影响l 脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，铁素体，下贝氏体和回火马氏体。铁素体，下贝氏体和回火马氏体。 n 外部因素影响：试样尺寸和形状、加载速率等外部因素影响：试样尺寸和形状、加载速率等四、金相组织四、金相组织材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum本章小结本章小结l 缺口冲击弯曲试验缺口冲击弯曲试验