第三章金属在冲击载荷下的力学性能PPT课件

1、主要内容主要内容低温脆性低温脆性影响韧脆转变温度的冶金因素影响韧脆转变温度的冶金因素冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性冲击载荷下金属变形和断裂特点冲击载荷下金属变形和断裂特点第1页/共30页建造中的建造中的Titanic 号号沉没原因：沉没原因： 船体材料差船体材料差 低温环境低温环境 冲击载荷冲击载荷TITANICTITANIC与冲击载荷与冲击载荷第2页/共30页Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板Titanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。第3页/共30页第4页/共30页3.1

2、 3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下金属变形和断裂的特点l冲击载荷与静载荷比较：冲击载荷与静载荷比较：均为弹性变形、塑性变形、断裂。均为弹性变形、塑性变形、断裂。加载速率不同加载速率不同 应变速率应变速率dtde10-410-2 静载荷处理静载荷处理10-2 考虑应变速率影响考虑应变速率影响脆性增大脆性增大第5页/共30页l冲击力测不准冲击力测不准! ! 假定冲击能假定冲击能弹性能，能量守恒弹性能，能量守恒l应变速率对材料的弹性行为及应变速率对材料的弹性行为及E E无影响无影响 4982m/s 54982m/s 55.5m/s 5.5m/s l冲击载荷下塑性变形难以充分进行且极不

3、均冲击载荷下塑性变形难以充分进行且极不均匀匀 应变速率硬化应变速率硬化 s s、b b升高升高第6页/共30页第7页/共30页3.2 3.2 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性l 一次摆锤冲击弯曲试验一次摆锤冲击弯曲试验 (GB/T 229-1994)(GB/T 229-1994)l 加载速率加载速率+ +缺口效应缺口效应第8页/共30页冲击韧性：冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。l 冲击吸收功（冲击吸收功（A Ak k）：摆锤冲断试样所失去的能量，：摆锤冲断试样所失去的能量，单位为单位为J J。l 冲击韧度（冲击韧度（a ak k）：单位为：

4、单位为J/cmJ/cm2 2 l 韧性与温度有关韧性与温度有关脆性转变温度脆性转变温度T TK Kl A Ak k或或a ak k越大，韧性越好越大，韧性越好第9页/共30页试样尺寸：试样尺寸： 101055mm；l无缺口无缺口lU缺口：缺口：Aku或或akulV缺口：缺口：Akv或或akv第10页/共30页n技术参数：技术参数：n冲击能量：冲击能量：300J、150J/500J、250Jn摆锤预扬角：摆锤预扬角：150n冲击速度：冲击速度：5.2m/s/5.4m/sn试样支座跨距：试样支座跨距：40mmn钳口圆角：钳口圆角：R1-1.5mmn试样规格：试样规格：551010mmJB-300/

5、500W微机控制冲击试验微机控制冲击试验机机第11页/共30页3.3 3.3 低温脆性低温脆性 BCC（HCP）（）（F+P钢）钢） 温度下降时：温度下降时：材料状态：韧性状态材料状态：韧性状态脆性状态脆性状态断裂机理：微孔聚集断裂机理：微孔聚集穿晶解理穿晶解理断口特征：纤维状断口特征：纤维状结晶状结晶状一、低温脆性现象第12页/共30页第13页/共30页 材料由韧性状态变为材料由韧性状态变为脆性状态的温度，脆性状态的温度，t tk k 出现的原因：出现的原因：t（温度）（温度）s急剧增加急剧增加c基本不变基本不变l 韧脆转变温度韧脆转变温度第14页/共30页21 dkyis 摩擦阻力摩擦阻力

6、晶格阻力晶格阻力位错阻力位错阻力晶格阻力对温度敏感，晶格阻力对温度敏感，且且bcc和和hcpfcc212aEsc与温度基本无关与温度基本无关Ttk时时:当当sc，韧断，韧断Tc，脆断，脆断第15页/共30页二、韧脆转变温度二、韧脆转变温度l系列系列(温度温度)冲击弯曲试验冲击弯曲试验冲击吸收功冲击吸收功- -温度曲线，温度曲线，断口形貌中各区所占面积断口形貌中各区所占面积和温度曲线，和温度曲线，塑性变形量塑性变形量与温度曲线，与温度曲线，求得求得tk第16页/共30页1. 按能量定义按能量定义tk的方法的方法 (1) (1) 下平台，下平台， “低阶低阶能能”。NDT:NDT: 100100结

7、晶断结晶断口口 (2) (2) 上平台，上平台， “高阶高阶能能”。 FTPFTP：100100纤维纤维区区 (3) (3) 以低阶能和高阶能平以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义均值对应的温度定义t tk k，记为记为FTEFTE第17页/共30页2. 按断口形貌定义按断口形貌定义tk的方法的方法 温度下降，材料由韧变温度下降，材料由韧变脆脆 取结晶区占整个断口面取结晶区占整个断口面积积50%50%时的温度为时的温度为t tk k，记，记为为50%FATT(Fractrue 50%FATT(Fractrue Appearance Appearance Transition Transitio

8、n Temperature)Temperature)或或FATTFATT5050、t t5050第18页/共30页3. 韧脆转变温度储备韧脆转变温度储备 韧性指标韧性指标 安全性指标安全性指标 tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接可用于抗脆断设计、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。用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。 韧脆转变温度储备韧脆转变温度储备 tt0-tk t取值：取值： 20 60 第19页/共30页三、落锤试验三、落锤试验 50年代初，派林尼（年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出）等人提出 用于测定全厚钢板的用于测定全

9、厚钢板的NDTn组成：组成：垂直导轨、垂直导轨、重锤和砧座组成重锤和砧座组成25mm90mm350mm19mm50mm125mm第20页/共30页l 温度下降温度下降n不裂；不裂；n拉伸表面部分形成裂纹，但未发展拉伸表面部分形成裂纹，但未发展到边缘；到边缘；n拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边；侧边；n试样断成两部分试样断成两部分nNDTNDT确定：取拉伸侧表面裂纹发展到确定：取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边的最高温度。一侧边或两侧边的最高温度。第21页/共30页四、断裂分析图（四、断裂分析图（FAD）300cs2sbt20040025NDTB弹性塑性33ND

10、T 76NDTACFTEFTPA区可能发生脆断区可能发生脆断区可能发生韧断区可能发生韧断区不断裂，一直稳定区不断裂，一直稳定&提示：提示：ABCABC表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度度裂纹终止线（裂纹终止线（CATCAT）应力、温度、缺陷s第22页/共30页3.4 3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素影响韧脆转变温度的冶金因素一、晶体结构一、晶体结构 BCC及合金存在低温脆性及合金存在低温脆性第23页/共30页二、化学成分二、化学成分C%0.1%C%0.1%t tk k升高升高13.913.9第24页/共30页间隙原子显著提高材料的间隙原子显

11、著提高材料的tk置换原子只有置换原子只有Ni、Mn降低降低tk Mn/C3S、P、As等偏聚于晶界，降低材料韧性等偏聚于晶界，降低材料韧性第25页/共30页 三、晶粒大小三、晶粒大小 细化晶粒细化晶粒韧性增加韧性增加 (1) 晶界是裂纹扩展的阻力；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；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中； (3) 晶界上杂质浓度减小，避免了沿晶脆性断裂晶界上杂质浓度减小，避免了沿晶脆性断裂第26页/共30页l第二相性质、形态、尺寸、大小、分布有显著影响第二相性质、形态、尺寸、大小、分布有显著影响l 脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，铁素体，下贝氏体和回火马氏体。铁素体，下贝氏体和回火马氏体。 n 外部因素影响：试样尺寸和形状、加载速率等外部因素影响：试样尺寸和形状、加载速率等四、金相组织四、金相组织第27页/共30页本章小结本章小结l缺口冲击弯曲试验缺口冲击弯曲试验l冲击韧性冲击韧性（吸收功），（吸收功），A AKUKUl 低温脆性低温脆性l t tk k：冲击吸收功、断口各