材料性能及测试课件-第三章材料的冲击韧性和低温脆性

1、1主讲：曾凡浩()中南大学粉末冶金研究院课件制作：曾凡浩233.1 冲击弯曲实验和冲击韧性冲击弯曲实验和冲击韧性3.2 低温脆性低温脆性 许多机件工具模具受冲击载荷作用，如火箭的许多机件工具模具受冲击载荷作用，如火箭的发射、飞机的起飞降落、材料锻冲加工、防弹材料发射、飞机的起飞降落、材料锻冲加工、防弹材料等，本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点等，本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点及指标。及指标。目 录 3.3 落锤实验落锤实验4R 冲击载荷静载荷的主要区别：加载速率不同。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。R 相对形变速率又称为应变率（单位时间内应变的变化量

2、）。R 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。5图图3-1 冲击试验机、试样和原理图冲击试验机、试样和原理图3.1 冲击弯曲实验与冲击韧性一、冲击弯曲实验一、冲击弯曲实验1.一次冲击弯曲试验一次冲击弯曲试验 试验原理：摆锤式冲击试验机；试验原理：摆锤式冲击试验机；缺口试样缺口试样U型和型和V型型；举至举至H1的位置的位置(位能为位能为GH1)释放摆锤冲断试样摆锤至释放摆锤冲断试样摆锤至H

3、2的位置的位置(位能为位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功此即为冲击吸收功(AKU和和AKV)。 测试标准：测试标准：GB229-84和和GB2106-80。6图图3-2 多次冲击曲线多次冲击曲线2. 多次冲击试验多次冲击试验 冲击次数小于冲击次数小于5001000次，次，试样断裂规律和一次冲击相同；试样断裂规律和一次冲击相同； 冲击次数大于冲击次数大于105次时，试次时，试样破坏具有典型的疲劳断口特样破坏具有典型的疲劳断口特征，冲击损伤积累结果。征，冲击损伤积累结果。 AK曲线：冲击功和冲断曲线：冲击功和冲断次数曲线，反比关系次数曲线，反比关系冲击功冲击功冲断周数冲断周数

4、AK冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。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。度等。导致强度提高。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；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。剪断：不变或提高。3 3、变形断裂特点、变形断裂特点71.一次冲击一次冲击

5、 (1)冲击韧度或冲击值冲击韧度或冲击值a KU(aKV): 用试样缺口处截面用试样缺口处截面FN(cm2)去除去除AKU(AKV)。即。即 aKU(aKV)AKU(AKV)/FN (2)冲击功冲击功: GH1-GH2=AK (3)工程意义工程意义: 反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量；分析反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量；分析断口判断缺陷；断口判断缺陷； 测定材料的韧脆性转变温度；测定材料的韧脆性转变温度； 对对s大致相同的材料，根据大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。量冲击破坏的缺口敏感性。二、冲击韧性二、冲击韧性82.多次

6、冲击多次冲击 (1)某种冲击能量某种冲击能量A下的冲断周次下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命要求的冲击工作寿命N时的冲断能量时的冲断能量A。 (3)多冲抗力取决于塑性和强度：多冲抗力取决于塑性和强度： A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性；高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； A低时，多冲抗力主要取决于强度。低时，多冲抗力主要取决于强度。 不同的不同的A要求不同的强度与塑性配合。要求不同的强度与塑性配合。 高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较大作用；冲击疲劳抗力有较大作用； 而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲而中、低强

7、度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力作用不大。劳抗力作用不大。9冲击载荷冲击载荷和静载荷失效和静载荷失效相同点：相同点： 过量弹性变形、过量塑性变形和断过量弹性变形、过量塑性变形和断裂裂冲击载荷冲击载荷和静载荷失效和静载荷失效不同点：不同点： 变形速率不同；变形速率不同； 冲击载荷主要表现为脆性（脆化）；冲击载荷主要表现为脆性（脆化）； 塑性变形主要集中在局部区域。塑性变形主要集中在局部区域。 冲击脆化主要原因冲击脆化主要原因- -塑性变形难以充分进行，集中在局部区域：塑性变形难以充分进行，集中在局部区域： (1)(1)应变速率。应变速率。 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响，应

8、变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)(2)冲击载荷。冲击载荷。 使金属产生附加强化；使金属产生附加强化； 增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶， 减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度等。减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度等。三、冲击脆化效应三、冲击脆化效应10v 定义：材料在某一温度定义：材料在某一温度tk下由韧变脆，下由韧变脆，冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口由纤维状变为结晶变为穿晶解理，断口由纤

9、维状变为结晶状。如体心立方金属，某些密排金属合状。如体心立方金属，某些密排金属合金。金。v 测量不同温度测量不同温度(低、室、高温低、室、高温)下冲击韧下冲击韧性性aK(AK)与温度与温度t的关系曲线的关系曲线(AKt)。tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。是称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。是安全性指标之一，最低使用温度必须高安全性指标之一，最低使用温度必须高于于tk。v 原因：原因：温度影响位错温度影响位错在晶体中运动的磨擦阻力，在晶体中运动的磨擦阻力，降低温度，阻力上升。材料变脆。降低温度，阻力上升。材料变脆。3.2 低温脆性图图3-3 钢的脆性转变温度钢的脆性转变温度11q韧脆转化温度韧

10、脆转化温度t tk k及其评价方法及其评价方法 1、能量法：、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度无塑性或零塑性转变温度NDT(Nilductility temp)： 低阶能：低于某一温度，低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化，形冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。成一平台。 低阶能开始上升的温度为低阶能开始上升的温度为tk。 NDT以下，断口由以下，断口由100结晶区结晶区(解理解理区区)组成。组成。(2) FTP(fracure transition plastic)： 高阶能：高于某温度，吸收的能量基本不变，形成上平台。高阶能：高于某温度，吸收的能量基本不变，形成上平

11、台。 以高阶能对应的温度为以高阶能对应的温度为tk (即即FTP)。高于。高于FTP的断裂，得到的断裂，得到100的纤维状断口。的纤维状断口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应：低阶能和高阶能平均值对应的温度。的温度。 (4) V15TT：以：以AKV=20.3Nm对应的温度。对应的温度。图图3-4 韧脆转变温度判据韧脆转变温度判据122 2、断口形貌法：、断口形貌法： (1)(1)断口形貌：断口形貌： (2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)： 通常

12、取结晶区面积占整个断口面积通常取结晶区面积占整个断口面积50时的温度为时的温度为tk 。 由纤维区由纤维区F F、放射区、放射区( (结晶区结晶区)R)R、剪切、剪切唇唇S S组成。组成。 和常见拉伸断口的区别：和常见拉伸断口的区别： t t不同，相对面积不同。不同，相对面积不同。 ( (面积面积t t曲线曲线) )图图3-5 拉伸断口和冲击拉伸断口和冲击断口的形貌示意图断口的形貌示意图13F 在在1010时，断口为时，断口为100100纤维区，冲纤维区，冲击值很高，韧性状击值很高，韧性状态；温度降到态；温度降到2525时，冲击值下时，冲击值下降一半，断口也出降一半，断口也出现将近一半的结晶现

13、将近一半的结晶区，处在韧性向脆区，处在韧性向脆性转折的过渡状态；性转折的过渡状态；当温度再降低至当温度再降低至8080时，冲击值非时，冲击值非常低，断口为常低，断口为100100的结晶区，为完的结晶区，为完全脆性状态。全脆性状态。 图图3-6 含锰含锰1.39%低碳钢板系列冲击试验结果低碳钢板系列冲击试验结果(a) 冲击值冲击值-温度曲线；温度曲线；(b) 断口纤维区面积断口纤维区面积%-温度曲线；温度曲线；(c) 载荷载荷-挠度曲线及断口形貌挠度曲线及断口形貌14F韧脆转变温度韧脆转变温度t tk k反映了温度对韧脆性的影响，它是反映了温度对韧脆性的影响，它是安全性能指标，是从韧性角度选材的

14、依据之一。安全性能指标，是从韧性角度选材的依据之一。对于在低温服役的材料，最低使用温度高于对于在低温服役的材料，最低使用温度高于t tk k，二，二者之差愈大愈安全者之差愈大愈安全( (差差202060)60)。图图3-7 铁素体铁素体(体心立方体心立方)、奥氏体、奥氏体(面心立方面心立方)和奥氏体钢和奥氏体钢15 1) 1)晶体结构的影响：晶体结构的影响：bccbcc、hcphcp有，有，fccfcc没有没有原因：加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象原因：加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象 2)2)化学成分的影响：见下图化学成分的影响：见下图3 3、影响材料低温脆性的因素、影响材料低温脆性

15、的因素-100-500501001502000 0.4 2.0wt%韧脆转变温度韧脆转变温度/图图3-8 合金元素对钢韧脆转变温度的影响合金元素对钢韧脆转变温度的影响NiCPSiCrMnCu16 3) 3)显微组织的影响：细化晶粒增加韧性，降低显微组织的影响：细化晶粒增加韧性，降低t tk k；例如：回火索氏体的冲击吸收功和例如：回火索氏体的冲击吸收功和t tk k最佳，回火贝氏最佳，回火贝氏体次之，片状珠光体最差；体次之，片状珠光体最差；淬火马氏体淬火马氏体低温回火马氏体低温回火马氏体中温回火屈氏体中温回火屈氏体高温回火索氏体高温回火索氏体17F 1812

16、1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。但加拿大著名化学家潘妮但加拿大著名化学家潘妮拉古德所著拉古德所著拿破仑的纽扣：改变拿破仑的纽扣：改变历史的历史的1616个化学故事个化学故事中提到，一个简单的化学反应很有可能中提到，一个简单的化学反应很有可能对拿破仑的失败起了重要作用。对拿破仑的失败起了重要作用。F 拿破仑部队军服上，采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属拿破仑部队军服上，采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属, ,然然而

17、它有而它有3 3种同素异形体种同素异形体白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，四方晶系，常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，四方晶系，密度密度7.31g/cm7.31g/cm3 3而在低温下而在低温下(-13.2)(-13.2)，白锡发生化学反应而变成，白锡发生化学反应而变成粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系，密度为粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm5.75g/cm3 3因因此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出现一

18、些小孔，最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下现一些小孔，最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33 33 度度时，晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣，数十万大时，晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣，数十万大军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人得病而死。潘尼道：得病而死。潘尼道：“毫无疑问，毫无疑问，1812 1812 年寒冷温度是造成拿破年寒冷温度是造成拿破仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，也仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，也是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。是拿破

19、仑士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。”拿破仑的纽扣生活中的低温脆性拿破仑的纽扣生活中的低温脆性18v 发生发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达脆变时，裂纹的扩展速度可高达10003000m/s，无法，无法加以阻止，无任何征兆。加以阻止，无任何征兆。v 1938 年和年和1940 年年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆造成的料的冷脆造成的。v 1912年当年最为豪华、号称永不沉没年当年最为豪华、号称永不沉没Titanic首航沉没于冰首航沉没于冰海，成了海，成

20、了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取自海底的自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。低温脆性的危害低温脆性的危害19 在水线上下都由在水线上下都由10 张张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成英尺长的高含硫量

21、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冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，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。这使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。201954 年冬天，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行的英国年冬天，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行的英国32000吨的吨的“世界协和号世界协和号”油船，突然发生船体中部断裂并沉没。油船，突然发生船体中部断裂并沉没

22、。原因也是材料的冷脆。原因也是材料的冷脆。船身一分为二断裂的Schenectady号油轮 21r 利用冷脆现象，人们发明了利用冷脆现象，人们发明了“低温粉碎技术低温粉碎技术”。以低温。以低温钢铁粉碎技术为例：废钢在投入熔炉前需要进行粉碎，传统钢铁粉碎技术为例：废钢在投入熔炉前需要进行粉碎，传统的电弧切割法有能耗大，效率低的缺点。而使用低温粉碎时，的电弧切割法有能耗大，效率低的缺点。而使用低温粉碎时，只需使粉碎温度低于废钢的韧脆转化温度，废钢就变得像玻只需使粉碎温度低于废钢的韧脆转化温度，废钢就变得像玻璃那样易碎了。为了达到此温度，可将废钢浸泡在液氮中，璃那样易碎了。为了达到此温度，可将废钢浸泡

23、在液氮中，或用低温的氮气冷却。低温粉碎技术还可以用来粉碎其他许或用低温的氮气冷却。低温粉碎技术还可以用来粉碎其他许多金属如锆合金，只需遵循温度低于该金属的韧脆转化温度多金属如锆合金，只需遵循温度低于该金属的韧脆转化温度的原则即可。的原则即可。r 现在具有明显韧脆转化温度的金属往往在低温下才发生现在具有明显韧脆转化温度的金属往往在低温下才发生这一转变。我们可以制造出在室温附近发生明显韧脆转化的这一转变。我们可以制造出在室温附近发生明显韧脆转化的材料，借此我们可以通过简单的温度改变来影响材料的脆性，材料，借此我们可以通过简单的温度改变来影响材料的脆性，以制造新型炸弹、逃生门、温度报警控制器等装置。

24、以制造新型炸弹、逃生门、温度报警控制器等装置。低温脆性的利用低温脆性的利用22v 2008 年年9 月月25 日晚日晚9 时时10 分，中国自行研制的第分，中国自行研制的第三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航天发射场由天发射场由“长征二号长征二号F”运载火箭发射升空。运载火箭发射升空。“长征长征二号二号F”第三级火箭采用的是液氢液氧发动机，而在第三级火箭采用的是液氢液氧发动机，而在1 个大气压下，液氧的沸点是个大气压下，液氧的沸点是-183，液氢的沸点是，液氢的沸点是-253。液氢液氧的贮存箱就运用了。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金铝合金

25、的耐低温的耐低温特性，采用高强度特性，采用高强度铝合金铝合金材料制成。材料制成。23z 落锤试验与断裂分析图落锤试验与断裂分析图 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，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。态，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。5050年代初，年代初，美海军研究所美海军研究所PelliniPellini等人提出落锤试验方法。等人提出落锤试验方法。3.3 落锤实验z 试样冷却到一定温度后放在砧座试样冷却到一定温度后放在砧座上，使轧制面向下处于受拉侧，然上，使轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随温度下降，后落下重锤进行打击