1、第三章第三章 材料在沖擊載荷下材料在沖擊載荷下的力學性能的力學性能 第一節第一節 沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點 第二節第二節 沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊彎曲和沖擊韌性 第三節第三節 低溫脆性低溫脆性 第四節第四節 影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素 n本章的意義：n生產中很多機件和工具受沖擊載荷作用，為了評定材料承受沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷作用下的力學行為，就需要進行相應的力學性能試驗。n在低溫環境下使用的構件，其用材在低溫下發生脆斷的情況是必須要嚴格關注的，因此需要進行系列沖擊試驗。n 本章的內容：介紹材料在沖擊載荷下的力學行為

2、和性能特點以及材料的低溫脆性。第一節第一節 沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性變形速率：= dl/dt， l是試樣長度，t是時間應變速率：一、加載速率和應變速率 加載速率提高，應變速率也隨之增加。/,/ddtddl l靜拉伸的應變速率在10-510-2S-1,當應變速率大于10-2S-1，材料的力學性能將發生顯著的變化。11/dldlddtl dtdt lln沖擊載荷下材料變形和斷裂的特點彈性變形階段：應變速率對材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。塑性變形階段：塑性變形來不及充分進行，且不均勻。表現為彈性極限、屈服強度的提高。012lgKK下屈服點低碳鋼應變速率對鋁扭轉應力應變曲線的影

3、響沖擊載荷下塑性變形抗力提高的原因：a)位錯運動速率增加，使派納力增大，產生附加強化。b)迅速增加位錯密度和滑移系數目，出現孿晶，減小位錯運動自由行程的平均長度，增加點缺陷濃度。c)塑性變形集中在局部區域，較之靜載條件極不均勻。應變速率提高，材料塑性必定下降？應變速率提高，材料塑性必定下降？材料以正斷方式斷裂，塑性隨應變速率的增加而減小。材料以切斷方式斷裂，塑性可能不變，也可能提高。應變速率對18Ni馬氏體時效鋼的強度和塑性的影響(a)屈服強度和抗拉強度 (b)斷面收縮率應變速率對淬火回火35CrNiMoV鋼的強度和塑性的影響(a)屈服強度和抗拉強度 (b)延伸率和斷面收縮率二、沖擊彎曲試驗

4、(GB229-84,GB2106-80) 1 試驗特點： 沖擊載荷 作用力在極短時間（微秒）內有很大變化幅度，缺口試樣（有缺口效應），低溫，都是致脆因素下測定試樣的沖擊功。 2 加載方式：利用擺錘的勢能，如下圖所示，測量試樣變形和斷裂所吸收的功稱為沖擊吸收功。用AK表示，AKmg（H1-H2），單位為焦耳J。 試樣開缺口的目的： 在缺口附近造成應力集中，使塑性變形局限在缺口附件不大的體積范圍內，保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發生在缺口處。沖擊試樣尺寸及加工要求3 試樣形狀：V型和U型缺口試樣，形狀和尺寸如圖所示。測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊功時常采用10mm10mm55mm的無缺口試樣

5、。 4 試驗結果：試驗機直接得到的結果為沖擊功AKV（AKU），用缺口處的截面積S去除以沖擊功便得到沖擊韌度KV和KU，即 , 單位為J/cm2。 SAAaaKUKVKUKV 注意： （1）KV和KU不能進行對比； （2）截面不同不可比； （3）試驗機不同不可比。 5 低溫的施加方法：液氮酒精 （注意凍傷） 沖擊功（沖擊彈性功塑性功撕裂 功）空氣阻力機身振動軸承與測量 機構的摩擦試樣的飛出等。沖擊韌度只是一種混合的韌性指標，在設計中不能定量使用。 表示材料韌度的性能指標共有三個：沖擊韌度（第三章）、斷裂韌度（第四章）、靜力韌度（第一章）分別用來評價材料在沖擊載荷、有裂紋的情況下靜載荷、靜拉伸載

6、荷條件下材料的韌度。三、沖擊韌度的工程意義 靜力韌度材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫作靜力韌度。應力應變曲線下所包圍的面積減去彈性能表示。數學表達式可通過真應力應變曲線求得 SK斷裂時的真應力；eK斷裂時的真應變KKeSa22 . 0靜 沖擊韌性的意義：沖擊韌度（沖擊值KV和KU）是一個綜合性的力學性能指標，與材料的強度和塑性有關。可檢驗材料的冶金質量、冷脆傾向、缺口敏感性。 韌性材料的沖擊試樣斷口裂紋源缺口沖擊試樣的載荷撓度圖Ac：彈性變形功；Ap：塑性變形、變形強化和裂紋形成等過程吸收的功；Ad：裂紋擴展功PF三種典型的沖擊載荷位移曲線強度高、塑性低、無裂紋擴展功部分，說

7、明這種材料裂紋難以形成，但裂紋卻極易失穩擴展強度較高，裂紋較難形成，且具有一定的抵抗裂紋擴展的能力強度低并具有較大的抵御裂紋擴展的能力四、多次沖擊實驗當沖擊次數N105時，屬典型的疲勞斷裂。35鋼的多沖曲線沖擊能量高時，材料的多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時，材料的多沖抗力主要取決于強度四、沖擊試驗的應用1、 用于控制材料的冶金質量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質量。2、 評定材料的冷脆傾向(韌脆轉變溫度）。3、 對于s大致相同的材料，可以評定材料對在沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。4、 通過建立沖擊功和其他力學性能指標間的聯系，替代較復雜的實驗。第二節第二節 低低 溫溫 脆脆

8、性性一、系列沖擊試驗與低溫脆性 系列沖擊試驗將某一材料制成的沖擊試樣冷卻到不同的溫度測定沖擊功，可得到這種材料沖擊韌性與溫度的關系曲線。這種不同溫度下的沖擊試驗稱為系列沖擊試驗。 低溫脆性材料的強度隨溫度的降低而升高低溫脆性材料的強度隨溫度的降低而升高，而塑性則相反。從韌性斷裂轉變為脆性，而塑性則相反。從韌性斷裂轉變為脆性斷裂，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由斷裂，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉變為穿晶解理，斷口特征從微孔聚集型轉變為穿晶解理，斷口特征從纖維狀變為結晶狀的現象，稱為低溫脆性纖維狀變為結晶狀的現象，稱為低溫脆性或冷脆。或冷脆。 左面的試樣取自海底的Titanic號，右面

9、的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。 泰坦尼克號鋼板和現代鋼板的實際沖擊結果示于下圖。在2的海水中，泰坦尼克號鋼板縱、橫向試驗中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現代鋼板縱向試驗中吸收能為325焦耳，橫向試驗中吸收能為100焦耳。上節回顧 1、硬度實驗 2、沖擊實驗 3、低溫脆性實驗中歸納有3種不同的沖擊吸收功溫度關系曲線：如：銅、鋁如：淬火態高碳馬氏體鋼如：正火態20鋼第一類曲線顯示材料在很寬的實驗溫度范圍內都是脆 性的，如淬火態的高碳馬氏體鋼等高強度鋼

10、；第二類曲線顯示具有面心立方結構的金屬材料如Cu、 Al等在很低的實驗溫度下仍具有較高的韌性， 這類材料的屈服強度對溫度和應變速率的變化 不敏感；第三類曲線顯示材料在一定的溫度區間產生低溫脆性 轉變，如體心立方金屬及其合金、某些密排六 方金屬及其合金，及許多珠光體鐵素體兩相 鋼。這類材料的屈服強度對溫度和應變速率的 變化十分敏感。 高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯)等，也會發生低溫脆性。產生低溫脆性的機理材料低溫脆性的產生與其屈服強度和斷裂強度隨溫度的變化有關。s、s和c隨溫度變化示意圖s：體心立方金屬等材料的屈服強度

11、s：面心立方金屬等材料的屈服強度c：材料的斷裂強度n體心立方金屬及其合金、某些密排六方金屬及其合金，這類材料的屈服強度對溫度和應變速率的變化十分敏感。溫度降低，屈服強度升高，當屈服強度高于斷裂強度時，產生脆性斷裂。n具有面心立方結構的金屬材料如Cu、Al等的屈服強度隨溫度的降低不發生明顯的升高，屈服強度總是低于斷裂強度，所以冷脆傾向不明顯。 微觀上，體心立方晶體中的位錯阻力隨溫度降低而增加，故該類材料發生低溫脆性，面心立方金屬因位錯寬度比較大，位錯阻力對溫度變化較不敏感，故一般不顯示低溫脆性。 n體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現象有關。n遲屈服即對材料施加一高速載荷到高于s，材料并不立即產生

12、屈服，而需要經過一段孕育期(稱為遲屈服時間)才開始塑性變形。在孕育期中只產生彈性變形，由于沒有塑性變形消耗能量，故有利于裂紋的擴展，從而易表現為脆性破壞。n缺口的存在會使材料的屈服強度提高，韌脆轉變溫度提高。t1和t2之間的差值體現了缺口對脆性轉變溫度的影響。缺口對韌脆轉變溫度的影響缺口的存在對材料韌脆轉變溫度的影響二、韌脆轉化溫度及其評價方法 韌脆轉化溫度由韌性狀態（塑性變形斷裂）轉變為脆性狀態（彈性變形斷裂）的溫度定義為韌脆轉化溫度。 韌脆轉化溫度的用途：在進行設計時，了解這一溫度可以確定當使用溫度大于它時，脆性斷裂不會發生。1、低溫拉伸試驗低溫缺口敏感度N來評定低溫脆性，并確定tk。TT

13、bN2 . 00缺口試樣低溫抗拉強度光滑試樣低溫屈服強度N1時，為缺口試樣的tk。評價方法：能量法 2、低溫沖擊試驗 (1)當低于某一溫度材料吸收的沖擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺，以低階能開始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱為無塑性或零塑性轉變溫度。(2)高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個上平臺，稱為“高階能”。以高階能對應的溫度為tk，記為FTP。(3)以低階能和高階能平均值對應的溫度定義，并記為FTE。 (4)與某一固定的能量對應的溫度。如以Akv15尺磅(20.3J)對應的溫度定義，并記為V15TT 。低碳鋼船用鋼板斷口形貌特征法依據該法確定的韌脆轉化溫度稱為FA

14、TT。斷口上出現50纖維狀韌性斷口和50脆性結晶狀斷口的試樣所對應的溫度。沖擊斷口形貌示意圖第二節第二節 低低 溫溫 脆脆 性性 上述表明，由于定義tk的方法不同，同一材料所得tk亦有差異；同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素（如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等）的改變，tk也要變化。所以，在一定條件下用試樣測得的tk，因為和實際結構工況之間無直接聯系，不能說明該材料制成的機件一定在該溫度下斷裂。兩種鋼材的沖擊轉變曲線韌性溫度儲備tt0-tk（2060 ）t0為工作溫度n3、落錘試驗 缺口沖擊試驗雖然測量簡單方便，試驗成本也低，但其測量的韌脆轉化溫度，在一般情況下并不能代表實物構件的脆化溫

15、度，缺口沖擊試驗所確定的脆化溫度總是偏低。這主要是因為缺口沖擊試樣尺寸小，其幾何約束要比厚的實物構件小，由于變形的幾何約束小帶來的脆化程度也相應地小一些。 n試驗之前試樣在所選的低溫條件下保溫30-45分鐘，然后迅速將其移至支座上，用落錘對其沖擊 。錘的沖擊能量是根據板材厚度和材料的屈服強度這兩個參數決定的。 落錘試驗示意圖焊堆長寬厚64154mmn根據試驗溫度的高低，試樣發生如下變化：1、試樣只發生塑性變形，不開裂；2、試樣拉伸面靠缺口附近出現裂紋，但未擴展到兩側邊；3、裂紋擴展到試樣的一側邊或兩側邊；4、試樣完全碎裂。 這個溫度叫做無塑性轉變溫度簡稱NDT，是產生無塑性破壞的最高溫度 。如

16、試驗溫度低于NDT，則裂紋就可自拉伸面橫穿板的寬度直至邊緣。斷裂分析圖（FAD） 斷裂分析圖表示了應力、缺陷和溫度三個參數之間的關系，只要確定了其中任意兩個參數，就可以求出第三個參數。 三、影響材料低溫脆性的因素 1晶體結構 bcc有冷脆，fcc無冷脆 2化學成分 間隙溶質元素含量增加，韌脆轉 化溫度升高，如含碳量增加，鋼 的韌脆轉化溫度升高；雜質元素 含量增加，容易偏聚在晶界附 近，產生沿晶脆性斷裂。 3 晶粒大小 tk=lnB-lnC-lnd-1/2 、B、C為常數， 與i有關，C為裂紋擴展阻力的度量； d：晶粒直徑。n原因：晶粒減小，晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂；晶界是裂紋擴展的阻力。鐵素體晶粒尺寸對韌脆轉變溫度的影響上節回顧 1、低溫脆性 2、韌脆轉變溫度及其表征方法 3、影響材料低溫脆性的因素4、金相組織 韌性增大的順序：珠光體上貝氏體下貝氏體回火索氏體；鋼中碳化物及夾雜物等第二相對鋼的脆性的影響程度取決于第二相質點的大小、形狀、分布、第二相性質及其與基體的結合力等因素。熱處理方式對鋼的韌脆轉變溫度的影響5、加載速率 提高加載速率，提高缺口處