第3章 材料在冲击载荷下的力学性能

1、材料性能学材料性能学第三章金属在冲击载荷下的力学性能材料性能学许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，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行为，就需要进行相应的力学性能试验。冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同加载速率：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表示。形变速率：单位时间的变形量。加载速率提高，形变速率也增加。相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量dde冲击载荷2-104S-110静载荷10-510-2S-1材料性能学、冲击载荷下金属变形和断裂

2、的特点冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、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。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。冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲击载荷下难以发生塑性变形。材料性能学1.1应变速率对塑性变形的影响金属材料在冲击载荷作用下塑性变

3、形难以充分进行，主要有以下两方面的原因：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，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。2.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。材料性能学1.2应变速率对强度的影响00纯铁的应力-应变曲线1-冲击载荷010203040£7/%夕4IO-510-4IO-310-210_l10IO1IO1IO3IO1应变率£/soOoO42222()0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。这种不均匀限制

4、了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高。应变速率对18Ni马氏体时效钢强度的影响1.3应变速率对塑性和韧性的影响塑性、韧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，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加,塑性的变化不一定，可能不变或提高。0A04AAu81旷1广10_J10_,10_110°101IO210*ICT应变率wO00000654321应变速率对18Ni马氏体时效钢塑性的影响应变速率对35CrNiMoV钢塑性的影响材料性能学二、冲击弯曲和冲击韧性为了显示加载速率和

5、缺口效应对金属材料韧性的影响,需要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功A表示。K冲击弯曲试验标准试样是U形或V形缺口，对应的冲击吸收功分别记为AKU和AKV材料性能学冲击吸收功A的大小不能真正反映材料的K韧脆程度：原因：缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的A值相差10-30%。k冲击弯曲试验的主要用途有两点:控制原材料

6、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、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。JB-S300数显冲击试验机(2)根据系列冲击试验(低温冲击试验)可得A与温度的关系k曲线，测定材料的韧脆转变温度。三、低温脆性3低温脆性现象定义：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牛寺别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸k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Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板

7、（右图）的冲击试验结果屈服强度和断裂强度随温度变化示意图低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。见右图，屈服点随着温度的下降而升高，但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小，两线交点对应的温度就是韧脆转变温度tko温度高于tk时，6材料先屈服后断裂，为韧性断裂;kcs温度低于tk时，Q<Q，材料先断裂，为脆性断裂；kcstk时实际上是一个温度区间32韧脆转变温度冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线Ak急剧减小拉伸试验，应力-应变曲线a急剧增加(a)20钢和(b)15MnMoV在不同温度下的力-伸长曲线(1) 按能量法定义t的方法k当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度

8、变化，形成一个平台，该能量称为“低阶能”。tk：NDT(NiIductilitytemperature)无塑性或零塑性转变温度。(b) 高于某一温度时，材料吸收的能量基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。t:FTPK(Fracturetransitionplastic)最保守(c) 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义t，记为FTEk卑B凶喘堰%50%00IL0FTP试验温度TFTE50%FATT各种韧脆转变温度准则(FractureTransitionElastic)o(2) 按断口形貌定义t的方法k冲击断口形貌示意图试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积(

9、或线尺寸)是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk记为50%FATT或FA%、t50。(3) 韧脆转变温度tk的工程意义k韧脆转变温度tk是韧性指标，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。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，=t0-tk，值取40-60°。对于受冲击载荷作用的重要机件，取60°；不受冲击载荷的非重要机件，取20°中间者取40°o定

10、条件下用试样测得的tk,由于和实际结构工况之间无直接联系，不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂o原因：同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化(如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等)，tk也要变化。3.3落锤试验和断裂分析图（不要求）四、影响韧脆转变温度的冶金因素4.1晶体结构体心立方金属及其合金存在低温脆性。普通中、低强度钢的基体是铁素体，此类钢具有明显的低温脆性。面心立方金属及其合金一般认为无低温脆性。高强度和超高强度体心立方结构钢，在很宽的温度范围内冲击值均较低，韧脆转变不明显。原因：面心立方的屈服强度随温度的变化比体心立方小的多，当温度从室温降低到-196时，体心立方的屈服强

11、度增加3-8倍，面心立方只增加2倍。4.2化学成分右图为在aFe中加入间隙元素和置换元素对其韧脆转变温度的影响间隙溶质元素偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，提高tk。置换元素（除Ni、Mn外）般也提高tk。杂质元素S、P等偏聚于晶界,产生沿晶脆性断裂，降低钢的韧性。200TOO1002003O52.川IIn5-5Q-100F1siTc尸-PJV*/Cr亠/-iTJ0Ni6°200150100TTC(a)00.40,R121.62.02.4£%12化学成分/%e箸豈（a）含碳量（b）合金元素对韧200-204060-80-100-120品粒数/mm1020301002005001000023456?ASTM晶粒度4.3显微组织(1) 晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加韧脆转变温度与斗铁素体晶粒大小白勺关系原因：晶界是裂纹扩展的阻力；(2) 晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；(3) 晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。（2）金相组织较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功Ak与tk以马氏体咼温回火（回火索氏体）最佳，贝氏体回火组织次之，片