第三章材料力学性能

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加载速率对力学性能的影响加载速率对力学性能的影响 增加应变速率，抗拉强度随增加应变速率，抗拉强度随之增加之增加 ，塑性随之下降。，塑性随之下降。 当应变速率在当应变速率在104102S 1内，金属力学性能变化不大内，金属力学性能变化不大 当应变速率大于当应变速率大于102S-1，发，发生显著变化。生显著变化。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冲击载荷下金属变形冲击弯曲和冲击韧性低温脆性影响韧脆转变温度的冶金因素第三章第三章 金属在冲击

2、载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能1 冲击载荷下金属变形冲击载荷下金属变形一、冲击载荷的特点一、冲击载荷的特点冲击载荷下，由于载荷的能量冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的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时间，从而影响加速度和惯性力的大小。的大小。由于冲击过程持续时间短，测由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件不准确，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，通常假定冲击能下所受

3、的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。按能量守恒法计算。二、冲击载荷下变形和断裂二、冲击载荷下变形和断裂1. 弹性变形：弹性变形：弹性变形在金属中传播速度很快，弹性变形在金属中传播速度很快，接近声速接近声速(钢中为钢中为4982m/s)。普通。普通冲击试验时变形速度只有冲击试验时变形速度只有5 5.5m/s，高速冲击试验的变形速，高速冲击试验的变形速度也在度也在103 m/s以下。所以，变形以下。所以，变形速度对金属的弹性形变行为及性速度对金属的弹性形变行为及性能基本无影响。能基本无影响。2. 塑性变形及断裂塑性变形及断裂塑性变形是位错

4、运动的结果。塑性变形是位错运动的结果。由于加载时间及载荷持续时间非由于加载时间及载荷持续时间非常短暂，所以作用力很大，作用常短暂，所以作用力很大，作用于位错上的力很大。于位错上的力很大。1 冲击载荷下金属变形冲击载荷下金属变形a.由于冲击载荷下应力水平比较由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展的产生与发展;b.冲击载荷增加了位错密度和滑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，增加错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓

5、度。了点缺陷的浓度。静载荷作用时：静载荷作用时：塑性变形比较塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中。均匀的分布在各个晶粒中。冲击载荷作用时：冲击载荷作用时：塑性变形则塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映比较集中于某一局部区域，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性变形的发这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了展，导致了屈服强度、抗拉强度屈服强度、抗拉强度的的提高提高和和塑性的降低塑性的降低。冲击载荷下变形和断冲击载荷下变形和断裂裂塑性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：塑性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生如果在一定加载条件

6、及温度下，材料产生正正 断断，则断裂应力变，则断裂应力变化不大，化不大，塑性随着应变率塑性随着应变率 的增加而减小的增加而减小；如果材料产生如果材料产生切断切断，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，塑性提高显著增加，塑性的变化不一定，的变化不一定，可能不变或提高。可能不变或提高。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2冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性一、冲击试验方法和原理一、冲击试验方法和原理1.试样试样10mm10mm 55mm的的U型型或或V型缺口试样，分别称为夏比型缺口试样，分别称为夏比(Charpy)U 型缺口试样和夏比型缺口试样和

7、夏比V型缺口试样。习惯上前者又简型缺口试样。习惯上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试称为梅氏试样，后者为夏氏试样。样。梅氏试样梅氏试样夏氏试样夏氏试样对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料，采用料，采用10mm10mm55mm的无缺口试样。的无缺口试样。试样开缺口的目的试样开缺口的目的：使试样在承：使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集受冲击时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围不大的体积范围 内，并保证试样内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。缺口缺口处。缺口 愈深、愈尖锐，冲愈

8、深、愈尖锐，冲击吸收功愈低。击吸收功愈低。2冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性2.试验方法及原理试验方法及原理12KKVAAAmgH -mgHKU、2冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性二、冲击韧性二、冲击韧性冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的冲击韧性是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。能力。常用标准试样的冲击吸收功常用标准试样的冲击吸收功 AK 表示。表示。用试样缺口处的截面积用试样缺口处的截面积SN (cm2)去除去除AKV (AKU )，即可得到试样的，即可得到试样的冲击韧性或冲击值冲击韧性或冲击值kkNAF1. AK和和ak的意义的意义AK:冲

9、击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收总能量。冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收总能量。AK 试样变形、破裂吸收能量试样掷出功机座振动功等等试样变形、破裂吸收能量试样掷出功机座振动功等等二、冲击韧性二、冲击韧性AK相同的材料，其韧性不一定相同的材料，其韧性不一定相同。相同。包括试样在冲击断裂过程中吸包括试样在冲击断裂过程中吸收的弹性变形功、塑性变收的弹性变形功、塑性变 形功形功和裂纹形成及扩展功等。简单和裂纹形成及扩展功等。简单的冲击试验不能的冲击试验不能 将这些不同阶将这些不同阶段消耗的功区分开来，因此冲段消耗的功区分开来，因此冲击功只击功只 能是一种混合的韧性指能是一种混合的韧性指标

10、，在设计中不能定量使用。标，在设计中不能定量使用。对组织缺陷非常敏感，可以灵敏对组织缺陷非常敏感，可以灵敏地反地反 映出材料品质、宏观缺陷映出材料品质、宏观缺陷及显微组织的微小变化及显微组织的微小变化2.冲击试验的应用冲击试验的应用只是材料抗冲击断裂的一个参考只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标。只能在规定条件下进行性指标。只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换相对比较，而不能代换 到具体零到具体零件上进行定量计算件上进行定量计算ak=Ak/FN无明确物理意义无明确物理意义冲击弯曲截面应力分布不均，塑冲击弯曲截面应力分布不均，塑性变形不均性变形不均, 主要集中于缺口附主要集中于缺口附近，吸收功

11、也集中于此。近，吸收功也集中于此。二、冲击韧性二、冲击韧性缺口冲击弯曲试验主要用于揭示缺口冲击弯曲试验主要用于揭示材料的变脆倾向材料的变脆倾向1) 用于控制材料的冶金质量和铸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造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。工工艺的质量。2）根据系列冲击试验）根据系列冲击试验(低温冲击低温冲击试验试验)评定材料的冷脆倾向，评定材料的冷脆倾向， 供供选材时参考或用于抗脆断设计。选材时参考或用于抗脆断设计。4）利用）利用Charpy V缺口冲击试验缺口冲击试验试样尺寸小、加工方便、操作容试样尺寸小、加工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立易、试验快

12、捷等优点，通过建立冲击功与其他力学性能指标冲击功与其他力学性能指标 间间的联系，代替较复杂的试验如的联系，代替较复杂的试验如KIC。3）对于）对于s大致相同的材料，用大致相同的材料，用AKV （AKU ）可以评定材料对大）可以评定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。敏感性。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3低温脆性低温脆性二战中，美国二战中，美国5000艘全焊接艘全焊接“自自由轮由轮”。在。在1942年年-1946年间发生年间发生破断的达破断的达1000艘，艘，1946年年-1956年年间发生破断的达间发生破断的达200艘。

13、艘。1943年年1月美国的一艘月美国的一艘T-2y油船停泊在装油船停泊在装货码头时断裂成两半截。当时甲货码头时断裂成两半截。当时甲板应力仅为板应力仅为70MPa，远远低于船，远远低于船板钢的强度极限板钢的强度极限在法国诺在法国诺曼底登陆曼底登陆参战的参战的 “欧布兰欧布兰”号自由轮号自由轮苏联作家鲍利斯彼斯特纳克苏联作家鲍利斯彼斯特纳克的诺贝文学奖作品的诺贝文学奖作品日瓦戈日瓦戈医生医生二十世纪初，俄罗斯二十世纪初，俄罗斯西伯利亚铁路断轨事故。西伯利亚铁路断轨事故。3低温脆性低温脆性 1945年至年至1948年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界大

14、战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列冲击试验，可测得材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度冲击试验，可测得材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。这种现象称为为脆性状态。这种现象称为“冷脆冷脆”。 寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故，寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故， 约为总事故约为总事故的的30 % 40%。3低温脆性低温脆性一、低温脆性现象及物理本质一、低温脆性现

15、象及物理本质1. 现象现象 当温度低于某一温度当温度低于某一温度tk时，时，材料由韧性断裂转变为脆性断裂，材料由韧性断裂转变为脆性断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶由微孔聚集型变为穿晶 解理，断解理，断口特征由纤维状变为结晶状的现口特征由纤维状变为结晶状的现象，称为低象，称为低 温脆性或冷脆温脆性或冷脆 转变温度转变温度tk称为称为韧脆转变温度韧脆转变温度3低温脆性低温脆性并不是所有的材料都会产生并不是所有的材料都会产生低温脆性低温脆性金属材料：金属材料：1) 对对fcc金属金属及其合金如及其合金如Cu和和Al等，它的冲击韧性很高；等，它的冲击韧

16、性很高；温度降低时冲击韧性的变化温度降低时冲击韧性的变化不大，不会导致脆性破坏；不大，不会导致脆性破坏；这类材料这类材料 一般可认为一般可认为无低温无低温脆性现象。脆性现象。(2)对高强度的对高强度的bcc合金，其合金，其在室温下的冲击韧性就很低，在室温下的冲击韧性就很低，当材料内有当材料内有 裂纹存在时，可裂纹存在时，可以在任何温度和应变速率时以在任何温度和应变速率时发生脆性破坏。发生脆性破坏。即这种类型材料本身就是较脆的，即这种类型材料本身就是较脆的，韧脆转变的现象也不明显。韧脆转变的现象也不明显。3)对低、中强度的对低、中强度的bcc金属以及金属以及Be、Zn等合金，这些材料的冲击韧性对

17、等合金，这些材料的冲击韧性对温度是很敏感的。温度是很敏感的。3低温脆性低温脆性并不是所有的材料都会产生并不是所有的材料都会产生低温脆性低温脆性高分子材料：高分子材料：聚丙烯2.低温脆性的本质低温脆性的本质低温脆性是材料屈服强度随温度低温脆性是材料屈服强度随温度下降急剧增加的结果。下降急剧增加的结果。没有明显作用，故断裂强度没有明显作用，故断裂强度c随温随温度的变化很小。度的变化很小。122scEa热激活对裂纹扩展的力学条件热激活对裂纹扩展的力学条件21dkyis对于对于bcc、hcp金属，金属，i对温度变化对温度变化非常敏感，温度下降，非常敏感，温度下降，i提高，提高，s升高；升高；低温脆性的

18、本质低温脆性的本质屈服强度屈服强度s和断裂强度和断裂强度c两条曲两条曲线相交于一点，交点对应的温度线相交于一点，交点对应的温度即为即为tK 当温度大于当温度大于tK时，时，cs，材料受载后先屈服再断裂，为韧材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；性断裂； 当温度低于当温度低于tK时，应力先达到时，应力先达到断裂强度断裂强度c，材料表现为脆性断，材料表现为脆性断裂。裂。 体心立方金属的低温脆性还与体心立方金属的低温脆性还与迟屈服迟屈服现象有关。现象有关。 低温脆性的本质低温脆性的本质 对材料施加一大于对材料施加一大于s的高速载荷时材料并不立即产生屈服，而的高速载荷时材料并不立即产生屈服，而需要经过一

19、段孕育期才开始塑性变形。在孕育期间只产生弹性变形，需要经过一段孕育期才开始塑性变形。在孕育期间只产生弹性变形，而没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而表现为脆性而没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而表现为脆性破坏。破坏。fcc金属位错宽度比较大，金属位错宽度比较大，i对对温度变化不敏感，温度变化不敏感， s随温度的随温度的下降变化不大。近似为一水平下降变化不大。近似为一水平线线,故一般不显示低温脆性故一般不显示低温脆性(虚线虚线)有实验证明，在有实验证明，在2042K的极低的极低温度下，奥氏体钢及铝合金有冷温度下，奥氏体钢及铝合金有冷脆性。脆性。3低温脆性低温脆性3.韧脆转化

20、温度及其评价方法韧脆转化温度及其评价方法 1）系列温度冲击试验）系列温度冲击试验 采用标准采用标准Charpy V冲击试样，冲击试样，将冲击试样在从高温将冲击试样在从高温(通常为室温通常为室温)到低温的一系列温度下进行冲击到低温的一系列温度下进行冲击试验。试验。冷脆转化温度的确定冷脆转化温度的确定a.能量准则法能量准则法V15TT：AKV=15磅尺磅尺=20.3J低阶能：低阶能：NDT高阶能高阶能 ：FTP无塑性或零塑性转变温度无塑性或零塑性转变温度塑性断裂转变温度塑性断裂转变温度FTE=(NDT+FTP)/23低温脆性低温脆性b.断口形貌法断口形貌法取断口上出现取断口上出现50%纤维状的韧性

21、断纤维状的韧性断口和口和50%结晶状态的脆性断口时对结晶状态的脆性断口时对应的温度为断口形貌转变温度应的温度为断口形貌转变温度 50%FATT或或FATT50 。c.断口变形特征准则断口变形特征准则试样表面相对收缩或膨胀为某一试样表面相对收缩或膨胀为某一定值（定值（1% 或或3.8%）或膨胀与收）或膨胀与收缩部分的边长差值为缩部分的边长差值为0.38mm时时的温度，为脆性转变温度。的温度，为脆性转变温度。3低温脆性低温脆性 用不同准则定义的脆性转变用不同准则定义的脆性转变温度，由于不同准则的物理意义温度，由于不同准则的物理意义不同，确定的脆性转变温度也不不同，确定的脆性转变温度也不一致，一致，

22、 甚至相差很大。甚至相差很大。tK是安全性指标，是从韧性角度是安全性指标，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于材选材的重要依据之一，可用于材料的抗脆断设计。料的抗脆断设计。2）落锤试验）落锤试验 系列缺口冲击试验确定的脆系列缺口冲击试验确定的脆性转变温度，并不能代表实物构性转变温度，并不能代表实物构件的脆性转变温度，其所确定的件的脆性转变温度，其所确定的脆性转变温度总是偏低。脆性转变温度总是偏低。主要是因为缺口冲击试样的尺主要是因为缺口冲击试样的尺寸小，其几何约束要比厚、宽寸小，其几何约束要比厚、宽的实物构件小，脆化程度也小的实物构件小，脆化程度也小落锤试验方法用于测定全厚钢落锤试验方法用于

23、测定全厚钢板的板的NDT， 以作为评定材料的以作为评定材料的性能指标。性能指标。落锤试验落锤试验试样厚度与实际使用板厚相同，试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸为典型尺寸为2590350mm3、1950125mm3或或1650125 mm3。在试样宽度的中点沿长度方向堆在试样宽度的中点沿长度方向堆焊一层脆性合金焊一层脆性合金(长长64mm、宽约、宽约15mm、厚约、厚约4mm)，焊块中用薄，焊块中用薄片砂轮或手锯割开一个缺口，其片砂轮或手锯割开一个缺口，其宽度小于宽度小于1.5mm，深度为焊块厚，深度为焊块厚度的一半，缺口方向与试验的拉度的一半，缺口方向与试验的拉力方向相垂直，用以诱发裂纹。力

24、方向相垂直，用以诱发裂纹。落锤试验落锤试验试验之前，将试样在所选的低温条试验之前，将试样在所选的低温条件下保温件下保温3045min，然后迅速将，然后迅速将其移至支座上，使有焊肉的轧制面其移至支座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。行打击。试板的力学行为按温度由高到低依试板的力学行为按温度由高到低依次发生如下的变化：次发生如下的变化：a）试板只发生塑性变形，不开裂。）试板只发生塑性变形，不开裂。b）试板拉伸面靠缺口附近出现裂纹，）试板拉伸面靠缺口附近出现裂纹，但裂纹只在缺口附近的塑性变形区但裂纹只在缺口附近的塑性变形区内，末扩展到两侧边。内，

25、末扩展到两侧边。c）裂纹发展到试板一侧边或两侧边。）裂纹发展到试板一侧边或两侧边。d）试件完全碎裂。）试件完全碎裂。一般规定裂纹能扩展到试板一般规定裂纹能扩展到试板一侧边或横贯板宽的最高温度一侧边或横贯板宽的最高温度为无塑性转变温度，用为无塑性转变温度，用NDT表表示。示。NDT 的含义实际是当的含义实际是当TNDT时，钢板碎裂。时，钢板碎裂。TNDT 时，含有大裂纹的试板不会碎时，含有大裂纹的试板不会碎裂。裂。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4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1）晶体结构的影响）晶体结构的影响 1.材料因素材料

26、因素a）低、中强度的）低、中强度的bcc金属及其金属及其合金如钢、合金如钢、hcp金属中的金属中的Zn、Be及其合金，有冷脆现象。及其合金，有冷脆现象。b）高强度的）高强度的bcc金属，如高强金属，如高强度及超高强度钢，冷脆转变不度及超高强度钢，冷脆转变不明显。明显。c) fcc金属金属(如奥氏体钢、如奥氏体钢、Ni、Al、Cu铜等铜等)，一般情况下可认为无，一般情况下可认为无冷脆现象。冷脆现象。2）化学成分）化学成分a)在体心立方金属在体心立方金属-Fe中加入能中加入能形成形成间隙固溶体的元素间隙固溶体的元素，如碳、，如碳、氮、氢等，使氮、氢等，使冲击韧性减小，冷冲击韧性减小，冷脆转变温度提

27、高脆转变温度提高，且含量愈大影，且含量愈大影响愈大。响愈大。与位错的交互作用集聚于位错线与位错的交互作用集聚于位错线附近形成柯氏气团，既增加附近形成柯氏气团，既增加i，又使又使ky增加，致使增加，致使s升高，所以升高，所以钢的脆性增大。钢的脆性增大。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b)-Fe中加入能形成置换固溶体中加入能形成置换固溶体的元素，一般也不同程度地提高的元素，一般也不同程度地提高和扩大其冷脆转变温度和范围。和扩大其冷脆转变温度和范围。因为因为Si、Cr等降低层错能，促进等降低层错能，促进位错扩展，形成孪晶、交滑移困位错扩展，形成孪晶、交滑移困难。难。

28、在在-Fe中加入中加入Ni和和Mn，能显著，能显著地地降低冷脆转变温度并提高韧断降低冷脆转变温度并提高韧断区的冲击值。区的冲击值。4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Ni减小低温时的减小低温时的i和和ky，故韧性，故韧性提高；提高；Ni还增加层错能，促进低温时螺还增加层错能，促进低温时螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，故韧性增加。增加，故韧性增加。c)杂质元素杂质元素S、P、Pb、Sn、As等，等，会降低钢的韧性。会降低钢的韧性。偏聚于晶界，降低晶界表面能，偏聚于晶界，降低晶界表面能， 产生沿晶脆性断裂，同时降低产生沿晶脆性断裂，同时

29、降低脆断应力脆断应力3）晶粒尺寸）晶粒尺寸细化晶粒能使材料的韧性增加，细化晶粒能使材料的韧性增加，韧脆转变温度降低。韧脆转变温度降低。4) 金相组织金相组织在较低强度水平，强度相同时，在较低强度水平，强度相同时，SBPP 球片韧性韧性4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在高强度水平，强度相同时，在高强度水平，强度相同时，中、高碳钢经等温淬火下贝中、高碳钢经等温淬火下贝氏体的韧性优于淬火马氏体氏体的韧性优于淬火马氏体在相同强度水平，典型上贝在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体的韧脆转变温度。贝氏体的韧脆转变温度。由于在低温上贝氏体中渗碳由于在低温上贝氏体中渗碳体沿奥氏体晶界的析出受到体沿奥氏体晶界的析出受到抑制，低碳钢低温上贝氏体抑制，低碳钢低温上贝氏体的韧性却高于回火马氏体。的韧性却高于回火马氏体。在低碳合金钢中，经不完全等在低碳合金钢中，经不完全等温获得贝氏体和马氏体的混合温获得贝氏体和马氏体的混合组织，其韧性比单一马氏体或组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要好。单一贝氏体组织要好。3）加载速度）加载速度试样尺寸增大，材料的韧性下降，试样尺寸增大，材料的韧性下降，