《工程材料物理性能（第2版）》 第03章 金属在冲击载荷下的力学性能.ppt

第三章 金属在冲击载荷下的 力学性能 n前言： n冲击载荷静载荷的主要区别：加载速率不同。 n形变速率（单位时间内的变形量）可间接地反 映出加载速率的变化。 n相对形变速率又称为应变率（单位时间内应变 的变化量）。 n许多机件在实际服役时受冲击载荷的作用（如 汽车行驶通过道路上的凹坑、急刹车，飞机起 飞和降落，金属压力加工（锻造等）。 n实践表明：应变率在10-4 10-2S-1内，金属力 学性能没有明显的变化，可按静载荷处理。当 应变力大于10-2S-1时，金属力学性能将发生显 著变化。为了评定金属材料传递冲击载荷的能 力，揭示材料在冲击载荷作用下的力学行为， 需要进行相应的力学性能试验。 n第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特 点 n（作图P70，图3-1）冲击载荷下，塑性 变形集中在某些局部区域，极不均匀。 n冲击载荷下：应力水平较高，许多位错 源同时启动，抑制易滑移阶段的产生和 发展；增加位错密度，减少位错运动自 由行程增加点缺陷浓度等。导致强度提 高。 n塑性与韧性随应变率增加而变化的特征 与断裂方式有关。正断：减少；剪断： 不变或提高。 n第二节 冲击弯曲和冲击韧性 n1.冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下 吸收塑性变形功和功的能力。常用标准 试样的冲击吸收功AK表示。 n2.试验原理： n3.冲击弯曲试验主要用途: n（冲击吸收功AK的大小不能真正反映材 料的韧脆性程度。原因是缺口试样冲击 吸收的功没有完全用于试样变形和破断 ，其中有一部分功消耗于试样掷出、机 身振动空气阻力等。此外，根据断裂理 论，断裂类型取决于裂纹扩展过程中所 消耗的功（断裂功），消耗的功大，则 断裂表现为韧性，反之则为脆性。但AK 值相同的材料，断裂功并不一定相同） 。 n由于AK对材料内部的组织变化十分敏感 ，且试验方法简便，所以仍被广泛采用 。主要用途有： n（1）反映材料的冶金质量和热加工后的 产品质量。 n（2）根据系列冲击试验（低温冲击试验 ）可得出AK与温度的关系曲线，测定材 料的韧、脆性转变温度。 n（3）对于S大致相同的材料，根据AK值 可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口 敏感性。 n第三节 低温脆性 n1.低温脆性现象 n（1）现象：体心立方与某些密排六方金属、 合金中常见。 n（2）实践中有三种不同的冲击吸收功-温度关 系曲线。 n第一类：很低温度下韧性仍比较高；面心立方 金属与合金，如铜、铝等。 n第二类：在很宽的试验温度下都呈现脆性，如 高碳马氏体钢。 n第三类：在一定温度区间内产生低温脆性转变 ，如体心立方与某些密排六方金属、合金中常 见。 n（3）原因：温度影响位错在晶体中运动 的磨擦 阻力，降低温度，阻力上升。材 料变脆。 n（图3-5，P73） n两个强度指标：屈服强度受温度影响大 ；断裂强度受温度影响小（主要与裂纹 扩展有关）。 n2.韧脆转变温度tR n韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能 量的能力，是强度与塑性的综合表现，因此在 特定条件下，能量、强度和塑性都可用于表示 韧性。 n目前尚无简单的判据求韧脆转变温度tR n通常根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的 变化来定义。 n方法：不同温度下作冲击弯曲试验。得出冲击 功-温度曲线；断口形貌中各区所占面积-温度 曲线；塑性变形量-温度曲线等。 n3.根据能量判据与断口形貌判据定义tR的 方法：图3-6 P73 n低阶能当低于某一温度，材料吸收的 冲击能量基本不随温度而变化，形成一 平台，该能量称为低阶能。 n高阶能当高于某一温度，材料吸收的 冲击能量基本不随温度而变化，形成一 平台，该能量称为高阶能。 n（1）以“低阶能”开始上升的温度定义为tR n（记为NDT，Nil Ductility Temperature）称为 无塑性或零塑性转变温度。（这是无预先塑 性变形断裂对应的温度，在NDT以下，断口由 100%的结晶区组成。 n（2）以“高阶能”对应的温度为tR n（记为FTP, Fracture Transition Plastoc）高于 FTP下的断裂，将得到100%纤维状断口（零 解理断口）。 n（3）以低阶能和高阶能平均值对应 的温度定 义tR。 n（记为 FTE, Fracture Transition Elastic ） n（4）断口形貌判据： n通常以结晶区面积占整个断口面积50% 时的温度定义为tR n记为50%FATT,(Fracture Appearance Transition Temperature)或FATT50 或t50 n断口上各区面积按国家标准规定认定。 nNDT,FTE,FATT50,与塑性指标，冲击韧性 指标同属安全性指标。 n三 落锤试验与断裂分析图 n普通的冲击弯曲试样尺寸过小，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。50年代 初，美国海军研究所Pellini等人提出落锤 试验方法。 n试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉 的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行 打击。随试样温度下降，其力学行为发生如下 变化。 n1.不裂； n2.拉伸侧表面部分形成裂纹，但末发展到边缘 ； n3.拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边； n4.试样断成两部分。 n一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边 时的最高温度为NDT. n目前，NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂 设计根据的一部分，如： n（1）NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于 工作温度，此时在高应力区的小裂纹处不会造 成脆性断裂； n（2） NDT+33设计标准 对结构钢而言 NDT+33约为FTE，适用于原子能反应堆压力 容器标准。 n（3） NDT+67适用于全塑性断裂，在塑性 超载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力， 适用于原子能反应堆压力容器标准。 n落锤试验法的缺点：对脆性断裂不能定 量评定。没有考虑板厚的影响。 n通过落锤式试验求得的NDT可以建立断 裂分析图FAD. n分析图FAD是应力、缺陷和温度之间关系 的综合图。它可以明确提供低强度钢构 件在温度、缺陷和应力