材料力学：第7章 材料的冲击韧性及低温脆性

1、第三章 材料的冲击韧性及低温脆性 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性3-2低温脆性1 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 缺口试样一次冲击弯曲试验原理如图3-1所示。试验在摆锤式冲击试验机上进行，将试样水平放置于试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。冲击时将具有一定质量G的摆锤举至具有一定高度H1的位置，使其获得一定位能GH1。2 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验 释放摆锤冲断试样后摆锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断试样失去的位能为GH1-GH2，此即为试样变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功，以AK表示，单位为J。具体的试验与方法及操作规范可参考GB 22

2、9-84和GB2106-80。3 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比(charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样，两种试样的形状及尺寸如图所示。所测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV 。 另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10mml0mm10mm的无缺口冲击试样。4 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验 2.多次冲击弯曲试验 实践表明，即使那些通常承受剧烈冲击载荷的机件，也很少有只经受一次或几次冲击就断裂的。当试样破坏前承受的冲击次数少于500-l000次，试样断裂的规律与一次冲击相同；当冲击次数Nl

3、05时破坏后具有典型的疲劳断口特征。 这表明它是各次冲击损伤积累的结果，根本不同于一次冲击破坏的过程，所以多冲抗力不能用AK值简单代替。因此，为了解决机件多冲断裂失效问题，应对材料进行小能量的多次冲击试验，提出多冲抗力，并研究它的变化规律。5 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验机PC-150上进行，冲击频率为450周次/min和600周次/min。冲击能量靠冲程调节而变换(0.1-1.5J)，可做多冲弯曲、拉伸和压缩试验。试验后可绘制出冲击功A-冲断次数N曲线，如图3-4所示。从A-N多冲曲线不难看出，随冲击功A的减少，冲断次数N增加。6 3-1冲击

4、弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 1.一次冲击 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKV(AKU)，便得到冲击韧度或冲击值aKV(aKU)，即 aKV(aKU)是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性有关，单位为J/m2。7 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 一般将akv(aku)视为材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，用来评定材料的韧脆程度，作为保证机件安全设计的指标。 但akv(aku)表示单位面积的平均冲击功值，是一个数学平均量。实际上冲击试样承受弯曲载荷，缺口截面上的应力应变分布是极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，故取平均值是毫

5、无物理意义的，所以这指标目前已不大使用。8 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 冲击功AK虽可表示材料的变脆倾向，但不能真正反映材料的韧脆程度。因为用于冲断试样的冲击功AK并非完全被试样的变形和断裂过程所吸收，其中有一部分功消耗子空气阻力、机身振动、轴承与测量机构的摩擦及冲断试样的飞出等。 尽管冲击吸收功不能真正代表材料的韧性程度，但由于它对材料成分、内部组织变化十分敏感，而且一次冲击弯曲试验方法简便易行，所以仍被广泛采用。9 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 一次冲击弯曲试验主要有以下几方面用途： 它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测量

6、AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。10 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验(低温冲击试验)可获得AK与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。11 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 2.多次冲击 目前还没有统一表示多冲抗力的方法，一般用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A来表示试样的多冲抗力。

7、材料的多冲抗力是一个取决于强度和塑性的综合力学性能，它的变化有如下一些规律。12 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 冲击能量高时，材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 多数受冲击载荷作用的机件，均在数万到数百万次以上，属于小能量冲击，其冲击抗力主要取决于强度，在选材或制定工艺时应尽量考虑强度的主导作用，不应盲目追求塑性和冲击韧性。13 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 图3-5为35钢经200和500回火的多冲曲线两条曲线在102周次左右处相交。在交点以左，经500回火材料的塑性高，强度低，其冲击疲劳抗力高，寿命

8、长；在交点以右，冲击能量低时，经200回火材料的强度高，塑性低，其冲疲劳抗力高，寿命长.14 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。图3-6为40钢强度、塑性、冲击韧性及不同能量下的冲断次数与回火温度的关系由图可见，40钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化不是单调的变化，而是在某一温度下有一个峰值，且此峰值随冲击能量增加向高温方向移动15 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 说明不同冲击能量下，要求的强度与塑性配合不同例如锻锤锤杆，原用45Cr钢油淬，650回火，k值高，强度低，使用

9、过程中常易折断，寿命低。根据多冲疲劳抗力变化规律，改用盐水淬火加中温回火，强度提高， k值降低，使用寿命明显提高16 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 aKV值对冲击疲劳抗力的影响。 材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。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；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力作用不大。 见图3-7，高强度时，bl500MPa，随aKU值增加，冲击疲劳抗力显著增大；而低强度时，bl000MPa，随aKU值增加，冲击疲劳抗力提高不多。17 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义 aKV值对冲击疲劳抗力的影

10、响。 这是因为中强度钢的冲击韧度已经比较高，再增加aKU值对提高冲击疲劳抗力的影响甚微；而对高强度水平材料，冲击韧度比较低，适当提高一些韧性对提高冲击疲劳抗力的影响比较突出。 应当指出，上述冲击疲劳的规律都是用小试样试验得出的结果，在应用于大尺寸的实际机件时，要结合具体情况慎重分析，要考虑应力状态和尺寸效应问题，必要时还要进行断裂力学分析，以防发生脆断。18 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应 尽管机件在冲击载荷作用下的失效类型和静载荷一样，仍表现为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂，但在分析冲击载荷下机件的失效及材料的力学行为时必须注意冲击载荷本身的特性。19 3-1冲击弯曲试验与冲

11、击韧性三、冲击脆化效应 静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷的类型和大小有关。 而在冲击负荷下，由于负荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能因此，机件及与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的持续时间，从而影响加载速度和惯性力的大小 由于冲击过程持续时间很短而测不准确，就很难按惯性力计算机件内的应力所以，冲击载荷下的应力通常按能量守恒法计算，并假定冲击能全部转换成机件内的弹性能再计算应力和应变20 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应 静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷的类型和大小有关。 众所周知，弹性变形是以声速在介质中传播的。在金属介质如钢中，声速达到了4982

12、ms，而普通摆锤冲击试验时绝对变形速度只有55.5ms，这样，冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响 而应变速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影响21 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应 在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关。运动速率愈大，则能量愈大，宽度愈小，故派纳力愈大。结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展此外，冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目

13、，出现孪晶，减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度上述诸点均使金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行派纳力: 位错滑移临界切应力 22 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应 在静载下，塑性变形较均匀地分布于各个晶粒中。在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域，这表明冲击载荷下的塑性变形是极不均匀的。这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。 材料塑性相应变速率之间并无单值依存关系，在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低在高速变形时，某些金属可能显示出高塑性，如密排六方金属爆炸成型就是如此

14、23 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应 塑性和韧性随着应变速率增加而变化的特征与断裂方式有关。如在一定加载规范和温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随应变速率的增加而减小。如果材料产生剪断，则断裂应力随应变速率提高显著增加，塑性可能不变，也可能提高。24 3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 系列冲击实验在材料研究与生产实际中应用较广，因为它比其他实验方法更能灵敏地反映出材料力学性能随内因和外因变化的差异。 对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进行时可以得到一系列冲击值AK(或aK)，这种材料冲击韧性与温度的关系曲线，即AK-t或aK-t。这种不同温度下的冲

15、击试验称为系列冲击试验。据此可以评定材料的低温脆性、蓝脆和重结晶脆性等。而这些脆性是材料使用中力图避免出现的，因此系列冲击试验有一定的实用意义25 3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象，但在20-42K极低温度下奥氏体钢及铝合金有冷脆性。高强度钢及超高强度

16、钢在很宽温度范围内冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。 26 3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 实验中归纳有3种不同的冲击吸收功-温度关系曲线。第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆性的。如淬火态的高碳马氏体钢。第二类曲线显示具有面心立方结构的金属如铜、铝等材料在很低的温度下仍具有较高的韧性。这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化不敏感。第三类曲线显示材料在一定温度区间产生低温脆性转变，如体心立方金属及其合金、某些密排六方金属及其合金，及许多珠光体-铁素体两相钢。这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化是十分敏感的。27 3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 从宏观角度分

17、析，材料低温跪性的产生与其屈服强度s和断裂强度c随温度的变化有关因热激活对裂纹扩展的力学条件没有明显作用，故断裂强度c随温度的变化很小屈服强度s随温度的变化情况与材料的本性有关 具有面心立方结构材料的s随温度的下降变化不大近似为水平线，即使在很低的温度仍未与c曲线相交，故其脆性断裂现象不明显28 3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 从宏观角度分析， 具有体心立方或密排六方结构的金属或合金的屈服强度s对温度变化十分敏感，温度降低，s急剧升高，故两线交于一点，该交点对应的温度即为tk。高于tk时，cs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；低于tk时，外加应力首先达到c，材料表现为脆性断裂29

18、 3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 微观上，体心立方金属的低温跪性与位错在晶体中运动的阻力i，对温度变化非常敏感有关，i在低温下增加，故该类材料在低温下处于脆性状态面心立方金属因位错宽度比较大，i对温度变化不敏感，故一般不显示低温脆性 体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关，即对该材料施加一大于s的高速载荷时材料并不立即产生屈服，而需经过一段孕育期才开始塑性变形在孕育期间只产生弹性变形而没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而表现为脆性破坏。而具有面心立方结构材料的迟屈服现象不明显，故其低温脆性也不明显 30 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 因为韧性是材料塑性变形和

19、断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度和塑性都可用来表示韧性。所以，依照试样断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小及断口形貌均可以确定tk。 目前尚无简单的判据求韧脆转变温度tk。通常只是根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义tK。 为此，需要在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功一温度曲线、试样断裂后塑性变形量和温度的关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线等，根据这些曲线求tk31 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 根据能量判据和断口形貌判据定义tk ，各种韧脆性转变温度判据见图3-9。32 3-2低温脆性二、

20、韧性转化温度及其评价方法 按能量法定义2L的方法有如下几种： (1)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”以低阶能开始上升的温度定义tk ，并记为NDT(nildu-ctility 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，是最易确定tk的判据。在NDT以下，断口由100结晶区(解理区)组成。33 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 (2)高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为tk，记为FTP(fracture transition plast

21、ic)。高于FTP的断裂，将得到100的纤维状断口。显然，这是一种最保守定义tk的方法。34 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 (3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE(fracture transition elastic。(4)以AKV15尺磅(20.3Nm)对应的温度定义，并记为V15TT。实践表明，低碳钢船用钢板服役时若冲击韧性大于15尺磅或在V15TT 以上工作就不致于发生脆性断裂。35 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 (5)冲击试样冲断后，其断口形貌如图3-10所示。 如同拉伸试验一样，冲击试样断口也有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇几部分，但

22、在不同试验温度下，3个区之间的相对面积是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。36 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 (5)冲击试样冲断后，其断口形貌如图3-10所示。 通常取结晶区面积占整个断口面积50时的温度为tK，并记为50FATT(fracture appearance transition temperature)或FATT50、t50。 50FATT反映了裂纹扩展变化特征，可以定性地评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的能力。实验发现，50FATT与断裂韧度KIc开始急速降低的温度有较好的对应关系，故得到广泛应用但此方法需要目测评定各区所占面

23、积，受人为影响较大37 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸对于在低温服役的机件，依据材料的tk值可以直接或间接地估计它们的最低使用温度显然，机件的最低使用温度必须高于tk，两者之差愈大愈安全为此，选用的材料应该具有一定的韧性温度储备（=t0-tk，t0为材料使用温度），值常取2060 对于受冲击负荷的重要机件值取上限；不受冲击载荷作用的非重要机件值取下限 38 3-2低温脆性二、韧性转化温度及其评价方法 上述表明，由于定义tk的方法不同，同一材料所

24、得tk亦有差异；同一材料，使用同一定义方法。由于外界因素(如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等)的改变，tk也要变化。所以，在一定条件下用试样侧得的tk，因为和实际结构工况之间无直接联系，不能说明该材料制成的机件一定在该温度下断裂。39 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 1.晶体结构的影响 体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。 体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有密切关系。所谓迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持一定时间后才发生屈服。且温度越低，持续的时间越长，这就为裂纹的发生和

25、传播造成有利条件。中、低强度钢的基体是体心立方结构的快素体，故都有明显的低温脆性。40 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 2.化学成分的影响 间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。 这是由于间隙溶质元素溶入基体金属品格中，通过与位借的交互作用偏聚于位借线附近形成柯氏气团，既增加 i，又使ky增加，致使s升高，所以钢的脆性增大41 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 2.化学成分的影响 钢中加入置换型溶质元素(Ni、Mn例外)一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但这种影响较间隙溶质原子小得多。置换型溶质元素对韧脆转变温度的影响与i、ky及s的变化有关Ni减小低温时的i

26、和ky，故韧性提高同时Ni还增加层错能，促进低温时螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，故韧性增加若降低层错能，则促进位错扩展或形成半晶42 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 2.化学成分的影响 杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。43 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 3.显微组织的影响 晶粒大小 细化晶粒可使材料韧性增加。 韧脆转变温度与d1/2成线性关系。研究表明，不仅铁素体晶粒大小与韧脆转变温度呈线性关系，而且马氏体板条束宽度、上贝氏体铁素体条束宽度、原始奥氏体晶粒尺寸和韧脆转变

27、温度之间也呈线性关系。减小亚晶粒和脑状结构尺寸也能提高材料的韧性 细化晶粒提高韧性的原因有：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。44 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 3.显微组织的影响 金相组织 在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。此外，球化处理能改善钢的韧性。45 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 3.显微组织的影响 在较高强度水平时。中、高碳钢经等温淬火获得下贝氏体组织，其冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的淬火马氏体并回火的组织。 在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体的韧脆转变温度。但低碳钢低温上贝氏体(B1)的韧性却高于回火马氏体的韧性，这是由于在低温上贝氏体中渗碳体沿奥氏体晶界的析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。46 3-2低温脆性三、影响材料低温脆性的因素 3.显微组织的影响 在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要好 这是因为贝氏体先于马氏体形成，优先将奥氏体晶粒分割成几部分，使随后形成的马氏体限制在较小范围内，从而获得了极为细小的混合组织，裂纹在此种组织内扩展要多