第三章

金屬在沖擊載荷下的力學性能第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能加載速率對力學性能的影響

增加應變速率，抗拉強度隨之增加，塑性隨之下降。

當應變速率在10－4~10－2S－1內，金屬力學性能變化不大

當應變速率大于10－2S-1，發生顯著變化。第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能沖擊載荷下金屬變形沖擊彎曲和沖擊韌性低溫脆性影響韌脆轉變溫度的冶金因素第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能§1沖擊載荷下金屬變形一、沖擊載荷的特點★沖擊載荷下，由于載荷的能量性質使整個承載系統承受沖擊能，所以機件、與機件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的時間，從而影響加速度和慣性力的大小。★由于沖擊過程持續時間短，測不準確，難于按慣性力計算機件內的應力，所以機件在沖擊載荷下所受的應力，通常假定沖擊能全部轉換為機件內的彈性能，再按能量守恒法計算。二、沖擊載荷下變形和斷裂1.彈性變形：彈性變形在金屬中傳播速度很快，接近聲速(鋼中為4982m/s)。普通沖擊試驗時變形速度只有5~5.5m/s，高速沖擊試驗的變形速度也在103m/s以下。所以，變形速度對金屬的彈性形變行為及性能基本無影響。2.塑性變形及斷裂★塑性變形是位錯運動的結果。由于加載時間及載荷持續時間非常短暫，所以作用力很大，作用于位錯上的力很大。§1沖擊載荷下金屬變形a.由于沖擊載荷下應力水平比較高，使許多位錯源同時起作用，結果抑制了單晶體中易滑移階段的產生與發展;b.沖擊載荷增加了位錯密度和滑移系數目，出現孿晶，減小了位錯運動自由行程平均長度，增加了點缺陷的濃度。靜載荷作用時：塑性變形比較均勻的分布在各個晶粒中。沖擊載荷作用時：塑性變形則比較集中于某一局部區域，反映了塑性變形不均勻。這種不均勻限制了塑性變形的發展，導致了屈服強度、抗拉強度的提高和塑性的降低。沖擊載荷下變形和斷裂★塑性隨應變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關：如果在一定加載條件及溫度下，材料產生正斷，則斷裂應力變化不大，塑性隨著應變率的增加而減小；如果材料產生切斷，則斷裂應力隨著應變率提高顯著增加，塑性的變化不一定，可能不變或提高。第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能§2沖擊彎曲和沖擊韌性一、沖擊試驗方法和原理1.試樣10mm×10mm×55mm的U型或V型缺口試樣，分別稱為夏比(Charpy)U型缺口試樣和夏比V型缺口試樣。習慣上前者又簡稱為梅氏試樣，后者為夏氏試樣。梅氏試樣夏氏試樣對陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料，采用10mm×10mm×55mm的無缺口試樣。試樣開缺口的目的：使試樣在承受沖擊時在缺口附近造成應力集中，使塑性變形局限在缺口附近不大的體積范圍內，并保證試樣一次就被沖斷且使斷裂就發生在缺口處。缺口愈深、愈尖銳，沖擊吸收功愈低。§2沖擊彎曲和沖擊韌性2.試驗方法及原理§2沖擊彎曲和沖擊韌性二、沖擊韌性沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。常用標準試樣的沖擊吸收功AK

表示。用試樣缺口處的截面積SN(cm2)去除AKV(AKU)，即可得到試樣的沖擊韌性或沖擊值1.AK和ak的意義AK:沖擊試樣消耗的總能量或試樣斷裂過程中吸收總能量。AK

＝試樣變形、破裂吸收能量＋試樣擲出功＋機座振動功等等二、沖擊韌性AK相同的材料，其韌性不一定相同。包括試樣在沖擊斷裂過程中吸收的彈性變形功、塑性變形功和裂紋形成及擴展功等。簡單的沖擊試驗不能將這些不同階段消耗的功區分開來，因此沖擊功只能是一種混合的韌性指標，在設計中不能定量使用。對組織缺陷非常敏感，可以靈敏地反映出材料品質、宏觀缺陷及顯微組織的微小變化2.沖擊試驗的應用只是材料抗沖擊斷裂的一個參考性指標。只能在規定條件下進行相對比較，而不能代換到具體零件上進行定量計算ak=Ak/FN無明確物理意義沖擊彎曲截面應力分布不均，塑性變形不均,主要集中于缺口附近，吸收功也集中于此。二、沖擊韌性缺口沖擊彎曲試驗主要用于揭示材料的變脆傾向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）根據系列沖擊試驗(低溫沖擊試驗)評定材料的冷脆傾向，供選材時參考或用于抗脆斷設計。4）利用CharpyV缺口沖擊試驗試樣尺寸小、加工方便、操作容易、試驗快捷等優點，通過建立沖擊功與其他力學性能指標間的聯系，代替較復雜的試驗如KIC。3）對于σs大致相同的材料，用AKV（AKU）可以評定材料對大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能§3低溫脆性二戰中，美國5000艘全焊接“自由輪”。在1942年-1946年間發生破斷的達1000艘，1946年-1956年間發生破斷的達200艘。1943年1月美國的一艘T-2y油船停泊在裝貨碼頭時斷裂成兩半截。當時甲板應力僅為70MPa，遠遠低于船板鋼的強度極限在法國諾曼底登陸參戰的“歐布蘭”號自由輪蘇聯作家鮑利斯彼斯特納克的諾貝文學獎作品《日瓦戈醫生》二十世紀初，俄羅斯西伯利亞鐵路斷軌事故。§3低溫脆性1945年至1948年美國國家標準局認真分析和研究了第二次世界大戰焊接船舶的破斷事故，通過在不同的溫度下對材料進行一系列沖擊試驗，可測得材料的沖擊韌度值隨溫度的降低而減小，當溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊韌度急劇下降，材料由韌性狀態轉變為脆性狀態。這種現象稱為“冷脆”。

寒冷地帶、野外作業的機械常發生低溫脆斷事故，約為總事故的30%~40%。§3低溫脆性一、低溫脆性現象及物理本質1.現象

當溫度低于某一溫度tk時，材料由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理，斷口特征由纖維狀變為結晶狀的現象，稱為低溫脆性或冷脆

轉變溫度tk稱為韌脆轉變溫度§3低溫脆性并不是所有的材料都會產生低溫脆性金屬材料：1)對fcc金屬及其合金如Cu和Al等，它的沖擊韌性很高；溫度降低時沖擊韌性的變化不大，不會導致脆性破壞；這類材料一般可認為無低溫脆性現象。(2)對高強度的bcc合金，其在室溫下的沖擊韌性就很低，當材料內有裂紋存在時，可以在任何溫度和應變速率時發生脆性破壞。即這種類型材料本身就是較脆的，韌脆轉變的現象也不明顯。3)對低、中強度的bcc金屬以及Be、Zn等合金，這些材料的沖擊韌性對溫度是很敏感的。§3低溫脆性并不是所有的材料都會產生低溫脆性高分子材料：聚丙烯2.低溫脆性的本質低溫脆性是材料屈服強度隨溫度下降急劇增加的結果。沒有明顯作用，故斷裂強度σc隨溫度的變化很小。熱激活對裂紋擴展的力學條件對于bcc、hcp金屬，σi對溫度變化非常敏感，溫度下降，σi提高，σs升高；低溫脆性的本質屈服強度σs和斷裂強度σc兩條曲線相交于一點，交點對應的溫度即為tK

當溫度大于tK時，σc＞σs，材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂；

當溫度低于tK時，應力先達到斷裂強度σc，材料表現為脆性斷裂。

體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現象有關。低溫脆性的本質

對材料施加一大于σs的高速載荷時材料并不立即產生屈服，而需要經過一段孕育期才開始塑性變形。在孕育期間只產生彈性變形，而沒有塑性變形消耗能量，故有利于裂紋的擴展，從而表現為脆性破壞。fcc金屬位錯寬度比較大，σi對溫度變化不敏感，σs隨溫度的下降變化不大。近似為一水平線,故一般不顯示低溫脆性(虛線)有實驗證明，在20~42K的極低溫度下，奧氏體鋼及鋁合金有冷脆性。§3低溫脆性3.韌脆轉化溫度及其評價方法1）系列溫度沖擊試驗

采用標準CharpyV沖擊試樣，將沖擊試樣在從高溫(通常為室溫)到低溫的一系列溫度下進行沖擊試驗。冷脆轉化溫度的確定a.能量準則法V15TT：AKV=15磅尺=20.3J低階能：NDT高階能：FTP無塑性或零塑性轉變溫度塑性斷裂轉變溫度FTE=(NDT+FTP)/2§3低溫脆性b.斷口形貌法取斷口上出現50%纖維狀的韌性斷口和50%結晶狀態的脆性斷口時對應的溫度為斷口形貌轉變溫度50%FATT或FATT50

。c.斷口變形特征準則試樣表面相對收縮或膨脹為某一定值（1%或3.8%）或膨脹與收縮部分的邊長差值為0.38mm時的溫度，為脆性轉變溫度。§3低溫脆性

用不同準則定義的脆性轉變溫度，由于不同準則的物理意義不同，確定的脆性轉變溫度也不一致，甚至相差很大。tK是安全性指標，是從韌性角度選材的重要依據之一，可用于材料的抗脆斷設計。2）落錘試驗

系列缺口沖擊試驗確定的脆性轉變溫度，并不能代表實物構件的脆性轉變溫度，其所確定的脆性轉變溫度總是偏低。主要是因為缺口沖擊試樣的尺寸小，其幾何約束要比厚、寬的實物構件小，脆化程度也小落錘試驗方法用于測定全厚鋼板的NDT，以作為評定材料的性能指標。落錘試驗試樣厚度與實際使用板厚相同，典型尺寸為25×90×350mm3、19×50×125mm3或16×50×125mm3。在試樣寬度的中點沿長度方向堆焊一層脆性合金(長64mm、寬約15mm、厚約4mm)，焊塊中用薄片砂輪或手鋸割開一個缺口，其寬度小于1.5mm，深度為焊塊厚度的一半，缺口方向與試驗的拉力方向相垂直，用以誘發裂紋。落錘試驗試驗之前，將試樣在所選的低溫條件下保溫30～45min，然后迅速將其移至支座上，使有焊肉的軋制面向下處于受拉側，然后落下重錘進行打擊。試板的力學行為按溫度由高到低依次發生如下的變化：a）試板只發生塑性變形，不開裂。b）試板拉伸面靠缺口附近出現裂紋，但裂紋只在缺口附近的塑性變形區內，末擴展到兩側邊。c）裂紋發展到試板一側邊或兩側邊。d）試件完全碎裂。一般規定裂紋能擴展到試板一側邊或橫貫板寬的最高溫度為無塑性轉變溫度，用NDT表示。NDT的含義實際是當T＜NDT時，鋼板碎裂。T＞NDT時，含有大裂紋的試板不會碎裂。第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能§4影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素1）晶體結構的影響1.材料因素a）低、中強度的bcc金屬及其合金如鋼、hcp金屬中的Zn、Be及其合金，有冷脆現象。b）高強度的bcc金屬，如高強度及超高強度鋼，冷脆轉變不明顯。c)fcc金屬(如奧氏體鋼、Ni、Al、Cu銅等)，一般情況下可認為無冷脆現象。2）化學成分a)在體心立方金屬α-Fe中加入能形成間隙固溶體的元素，如碳、氮、氫等，使沖擊韌性減小，冷脆轉變溫度提高，且含量愈大影響愈大。與位錯的交互作用集聚于位錯線附近形成柯氏氣團，既增加σi，又使ky增加，致使σs升高，所以鋼的脆性增大。第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能b)α-Fe中加入能形成置換固溶體的元素，一般也不同程度地提高和擴大其冷脆轉變溫度和范圍。因為Si、Cr等降低層錯能，促進位錯擴展，形成孿晶、交滑移困難。在α-Fe中加入Ni和Mn，能顯著地降低冷脆轉變溫度并提高韌斷區的沖擊值。§4影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素Ni減小低溫時的σi和ky，故韌性提高；Ni還增加層錯能，促進低溫時螺位錯交滑移，使裂紋擴展消耗功增加，故韌性增加。c)雜質元素S、P、Pb、Sn、As等，會降低鋼的韌性。偏聚于晶界，降低晶界表面能，產生沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應力3）晶粒尺寸細化晶粒能使材料的韌性增加，韌脆轉變溫度降低。4)金相組織在較低強度水平，強度相同時，韌性§4影響沖擊韌性和韌脆轉變溫度的因素在高強度水平，強度相同時，中、高碳鋼經等溫淬火下貝氏體的韌性優于淬火馬氏體在相同強度水平，典型上貝氏體的韌脆轉變溫度高于下貝氏體的韌脆轉變溫度。由于在低溫上貝氏體中滲碳體沿奧氏體晶界的析出受到抑制，低碳鋼低溫上貝氏體的韌性卻高于回火馬氏體。在低碳合金鋼中，經不完全等溫獲得貝氏體和馬氏體的混合組織，其韌性比單一馬氏體或單一貝氏體組織要好。3）加載速度試樣尺寸增大，材料的韌性下降，斷口中纖維區減少，脆性轉變溫度升高。2）尺寸因素缺口越