材料力学第3章

材料力学性能第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章金属在其他静载荷下的力学性能第三章金属在冲击载荷下的力学性能冲击载荷加载时间短，加载速率高；有时利用，有时尽量避免或减小。载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。第一节冲击载荷下金属变形和断裂特点第二节冲击弯曲和冲击韧性第三节低温脆性

第四节影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

学习目标：重点：冲击试验方法，低温脆性了解金属在冲击载荷下的力学性能。掌握冲击试验方法，了解金属的低温脆性，掌握低温脆性的测试方法了解影响冲击韧性和韧脆转折温度的因素。第一节冲击载荷下金属变形和断裂

当时，金属力学性能将发生明显变化。

一、基本概念相对形变速率：静拉伸试验：冲击试验：加载速率 形变速率二、冲击载荷下金属变形和断裂的特点

冲击载荷下，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。冲击载荷限制了塑性变形的发展，导致屈服强度、抗拉强度提高。塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。

正断：断裂应力变化不大，塑性下降。切断：断裂应力上升，塑性不变或提高。材料塑性和应变率之间无单值对应关系。

01020304040080012001600纯铁的应力-应变曲线121—冲击载荷2—静载荷第二节冲击弯曲和冲击韧性

二、缺口试样冲击试验原理一、冲击韧性的涵义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AK表示。冲击吸收功：冲击实验机视频三、讨论

AK相同的材料，其断裂功并不一定相同。断裂功的大小决定了断裂类型。AK能否真正反映材料的韧脆程度？不能AK并不能代表试样断裂前吸收的总能量。AK＝试样变形断裂吸收的能量+试样掷出功+机身振动功＋空气阻力+……；

AK相同的材料，其韧性不一定相同；四、冲击断口冲击断口由纤维区、放射区、剪切唇三个区组成。如果试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。1-裂纹源2-脚跟型纤维区3-放射区4-二次纤维区5-缺口6-剪切唇

一组冲击试样的断口照片新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU

2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV

2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV

8转变温度Tt韧脆转变温度TC

评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量。揭示冶金缺陷，检查锻造或热处理缺陷。根据系列冲击试验（低温冲击试验），可得Ak与温度关系曲线，测定材料的韧脆转变温度，据此可以评定材料的低温脆性倾向。五、冲击试验的应用优点：对材料组织十分敏感，且试验简便易行第三节低温脆性

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型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即低温脆性。一、低温脆性现象韧性状态脆性状态当韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。系列温度冲击试验

韧性阶段冲击波动阶段脆性阶段冲击韧性与温度的关系温度冲击功二、低温脆性例子Titanic的沉没

左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。

泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。在－2℃的海水中，泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸收能仅有4焦耳。同样温度下，现代钢板纵向试验中吸收能为325焦耳，横向试验中吸收能为100焦耳。

下图是建造中的Titanic号。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。三、韧脆转变的物理本质

屈服强度断裂强度当当先屈服再断裂，韧性断裂先达到断裂强度，脆性断裂四、韧脆转变温度的评定

1、能量准则

以低阶能开始上升的温度定义为tk，记为NDT，称无塑性或零塑性转变温度。在NDT以下，断口由100%结晶区组成。以高阶能对应的温度定义为tk，记为FTP。在FTP以上，100%纤维状断口。以低阶能和高阶能的平均值对应的温度定义tk，记为FTE。2、断口形貌法则

温度下降，纤维区面积突然减小，结晶区面积突然增大。冲击试样断口中结晶区面积占整个断口面积50％时所对应的温度作为脆性转变温度tk，亦可记为50％FATT或t50,FATT50.断口形貌准则主要用于正火或调质状态钢材的评定。五、韧脆转变温度的意义

tk是金属材料的韧性指标，它反映了温度对韧脆性的影响。

tk是安全性指标，可用于抗脆断设计，保证机件服役安全。

tk是估计低温服役机件最低使用温度的依据，选用的材料应具有一定韧性温度储备。韧性温度储备：Δ＝t0－tkt0－使用温度一般Δ取40－60℃，重要机件取60℃，非重要机件取20℃，中间取40℃。几种钢的脆性转变温度材料

σs/Mpa

20J准则

0.38mm准则

50FATT准则

热轧C-Mn钢

210271746热轧低合金钢

385－24－2212淬火－回火钢

618－71－67－54tk与定义方法、外界因素等有关。按上述三种准则确定的脆性转变温度并不等效，从表中几种钢的脆性转变温度，可以看出，20J准则与0.38mm准则比较接近。1.下列说法正确的是（）冲击吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韧脆程度韧脆转变温度tk不是金属材料的韧性指标，但可反映温度对韧脆性的影响。某实验室通过试验测得某材料的tk

为300C，因此，我们可以说该材料的tk

即为300C。钢中的溶质元素阻碍位错运动，导致其屈服强度升高，因而溶质元素均提高韧脆转变温度。2.下列不属于韧脆转变温度定义的是（）A、NDTB、FADC、FTED、FATT50课堂练习AB3.与静载荷相比，冲击载荷对金属的哪一种力学行为的影响最大？（）A、应变硬化B、弹性C、塑性D、断裂4.冲击韧度是指材料在冲击载荷下吸收哪一种功的能力？（）A、弹性变形功B、塑性变形功C、断裂功D、塑性变形功和断裂功CD六、落锤试验

普通冲击弯曲试验试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。为了克服这一困难，Pellini等人提出了落锤试验方法。落锤试验法：用于测定全厚钢板的NDT，作为评定材料的脆性转变温度。试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸：25*90*350mm19*50*125mm16*50*125mm落锤试验

试验中随试样温度下降，其力学行为发生如下变化：

不裂→拉伸侧表面部分形成裂纹但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→试样断成两部分一般规定裂纹能扩展到试样一侧边或两侧边的最高温度为无塑性转变温度NDT，其含义实际是钢板弹性开裂的最高温度，当T<NDT时，钢板碎裂；

T>NDT时，含有大裂纹的试板不会碎裂。

落锤试验的不足是：对脆断不能给予定量评定，因为试验采用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需研究，此外，板厚的影响亦未考虑。断裂分析图通过落锤试验求得的NDT可以建立断裂分析图(FAD)，它是表示许用应力、缺陷和温度之间关系的综合图，明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。应用：断裂分析图为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供依据；可用来分析脆性断裂事故。不足：未考虑加载速度和板厚的影响防断裂设计参考判据在落锤试验测得的NDT和大量同类试验的基础上，Pellini等提出了对低强度铁素体钢NDT的应用，建议了四个防断裂设计参考判据：1、T工作≥NDT，由于NDT表示小裂纹可作为裂源引起脆裂的临界温度。工作温度要求在NDT以上，允许的应力水平限制在35－56Mpa。2、T工作≥NDT＋17℃，允许σ工作≤σs/2，意即名义应力低于σs/2，且温度高于NDT＋17℃时，裂纹不会扩展，该参考判据提供了σ＜σs/2时的止裂温度界限。3、T工作≥NDT＋33℃，允许σ工作≤σs，意即名义应力低于σs时，裂纹可在弹性区内扩展的最高温度为NDT＋33℃，该临界温度称为弹性开裂转变温度(FTE)，当T＞FTE时，只发生塑性撕裂。因此FTE是应力等于σs时脆性裂纹止裂温度。4、T工作≥NDT＋67℃，σ工作达到σb发生韧性断裂。该温度称为塑性开裂转变温度(FTP)，当T＞FTP时，断裂应力达到材料极限强度，当T＜FTP时，裂纹可在塑性范围扩展，断裂应力在σs和σb之间。第四节影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素

一、冶金因素

1、化学成分

2、晶体结构3、显微组织（晶粒尺寸，金相组织）二、外界因素

1、温度2、加载速率3、试样尺寸和形状化学成分的影响1）间隙溶质元素↑→韧性↓韧脆转变温度↑2）置换型溶质元素对韧性的影响不明显，钢中加入置换型溶质元素一般也提高韧脆转变温度。（Ni减小，提高低温韧性）3）杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降以碳钢为例：C％↑→韧脆转变温度↑；

Mn％↑→韧脆转变温度↓，对船体钢来说，关键要看Mn/C比，只有当Mn/C≥3时，船体钢才有比较满意的韧脆转变温度。随着钢中含碳量的增加，冷脆转化温度几乎呈线性地上升，且最大冲击值也急剧降低。钢的含碳量每增加0.1％，冷脆转化温度升高约为13.9℃。钢中含碳量的影响，主要归结为珠光体增加了钢的脆性。晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温韧性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，都有明显的低温脆性。晶粒尺寸的影响细化晶粒可使材料韧性增加。铁素体晶粒直径与韧脆转变温度的关系可用派奇方程描述：其中，β、B、C为常数，d为铁素体晶粒直径派奇方程同样适用于低碳铁素体－珠光体钢，低合金高强度钢。减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高材料韧性。金相组织的影响1）对低强度钢：按tk由高到低的顺序：珠光体→上贝氏体→铁素体→下贝氏体→回火马氏体2）对中碳合金钢且强度相同，tk：下贝氏体＜回火马氏体；贝氏体马氏体混合组织＞回火马氏体3）低碳合金钢的韧性：贝氏体马氏体混合组织＞单一马氏体或单一贝氏体4）马氏体钢的韧性：奥氏体的存在将显著改善钢的韧性钢中夹杂物、碳化物