第三章材料力学性能

第三章

金属在冲击载荷下的力学性能第三章金属在冲击载荷下的力学性能加载速率对力学性能的影响

增加应变速率，抗拉强度随之增加，塑性随之下降。

当应变速率在10－4~10－2S－1内，金属力学性能变化不大

当应变速率大于10－2S-1，发生显著变化。第三章金属在冲击载荷下的力学性能冲击载荷下金属变形冲击弯曲和冲击韧性低温脆性影响韧脆转变温度的冶金因素第三章金属在冲击载荷下的力学性能§1冲击载荷下金属变形一、冲击载荷的特点★冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。★由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。二、冲击载荷下变形和断裂1.弹性变形：弹性变形在金属中传播速度很快，接近声速(钢中为4982m/s)。普通冲击试验时变形速度只有5~5.5m/s，高速冲击试验的变形速度也在103m/s以下。所以，变形速度对金属的弹性形变行为及性能基本无影响。2.塑性变形及断裂★塑性变形是位错运动的结果。由于加载时间及载荷持续时间非常短暂，所以作用力很大，作用于位错上的力很大。§1冲击载荷下金属变形a.由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展;b.冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中。冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高和塑性的降低。冲击载荷下变形和断裂★塑性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。第三章金属在冲击载荷下的力学性能§2冲击弯曲和冲击韧性一、冲击试验方法和原理1.试样10mm×10mm×55mm的U型或V型缺口试样，分别称为夏比(Charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样。习惯上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试样。梅氏试样夏氏试样对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料，采用10mm×10mm×55mm的无缺口试样。试样开缺口的目的：使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。缺口愈深、愈尖锐，冲击吸收功愈低。§2冲击弯曲和冲击韧性2.试验方法及原理§2冲击弯曲和冲击韧性二、冲击韧性冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK

表示。用试样缺口处的截面积SN(cm2)去除AKV(AKU)，即可得到试样的冲击韧性或冲击值1.AK和ak的意义AK:冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收总能量。AK

＝试样变形、破裂吸收能量＋试样掷出功＋机座振动功等等二、冲击韧性AK相同的材料，其韧性不一定相同。包括试样在冲击断裂过程中吸收的弹性变形功、塑性变形功和裂纹形成及扩展功等。简单的冲击试验不能将这些不同阶段消耗的功区分开来，因此冲击功只能是一种混合的韧性指标，在设计中不能定量使用。对组织缺陷非常敏感，可以灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷及显微组织的微小变化2.冲击试验的应用只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标。只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算ak=Ak/FN无明确物理意义冲击弯曲截面应力分布不均，塑性变形不均,主要集中于缺口附近，吸收功也集中于此。二、冲击韧性缺口冲击弯曲试验主要用于揭示材料的变脆倾向1)用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。2）根据系列冲击试验(低温冲击试验)评定材料的冷脆倾向，供选材时参考或用于抗脆断设计。4）利用CharpyV缺口冲击试验试样尺寸小、加工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立冲击功与其他力学性能指标间的联系，代替较复杂的试验如KIC。3）对于σs大致相同的材料，用AKV（AKU）可以评定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。第三章金属在冲击载荷下的力学性能§3低温脆性二战中，美国5000艘全焊接“自由轮”。在1942年-1946年间发生破断的达1000艘，1946年-1956年间发生破断的达200艘。1943年1月美国的一艘T-2y油船停泊在装货码头时断裂成两半截。当时甲板应力仅为70MPa，远远低于船板钢的强度极限在法国诺曼底登陆参战的“欧布兰”号自由轮苏联作家鲍利斯彼斯特纳克的诺贝文学奖作品《日瓦戈医生》二十世纪初，俄罗斯西伯利亚铁路断轨事故。§3低温脆性1945年至1948年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列冲击试验，可测得材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。这种现象称为“冷脆”。

寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故，约为总事故的30%~40%。§3低温脆性一、低温脆性现象及物理本质1.现象

当温度低于某一温度tk时，材料由韧性断裂转变为脆性断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性或冷脆

转变温度tk称为韧脆转变温度§3低温脆性并不是所有的材料都会产生低温脆性金属材料：1)对fcc金属及其合金如Cu和Al等，它的冲击韧性很高；温度降低时冲击韧性的变化不大，不会导致脆性破坏；这类材料一般可认为无低温脆性现象。(2)对高强度的bcc合金，其在室温下的冲击韧性就很低，当材料内有裂纹存在时，可以在任何温度和应变速率时发生脆性破坏。即这种类型材料本身就是较脆的，韧脆转变的现象也不明显。3)对低、中强度的bcc金属以及Be、Zn等合金，这些材料的冲击韧性对温度是很敏感的。§3低温脆性并不是所有的材料都会产生低温脆性高分子材料：聚丙烯2.低温脆性的本质低温脆性是材料屈服强度随温度下降急剧增加的结果。没有明显作用，故断裂强度σc随温度的变化很小。热激活对裂纹扩展的力学条件对于bcc、hcp金属，σi对温度变化非常敏感，温度下降，σi提高，σs升高；低温脆性的本质屈服强度σs和断裂强度σc两条曲线相交于一点，交点对应的温度即为tK

当温度大于tK时，σc＞σs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；

当温度低于tK时，应力先达到断裂强度σc，材料表现为脆性断裂。

体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。低温脆性的本质

对材料施加一大于σs的高速载荷时材料并不立即产生屈服，而需要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。fcc金属位错宽度比较大，σi对温度变化不敏感，σs随温度的下降变化不大。近似为一水平线,故一般不显示低温脆性(虚线)有实验证明，在20~42K的极低温度下，奥氏体钢及铝合金有冷脆性。§3低温脆性3.韧脆转化温度及其评价方法1）系列温度冲击试验

采用标准CharpyV冲击试样，将冲击试样在从高温(通常为室温)到低温的一系列温度下进行冲击试验。冷脆转化温度的确定a.能量准则法V15TT：AKV=15磅尺=20.3J低阶能：NDT高阶能：FTP无塑性或零塑性转变温度塑性断裂转变温度FTE=(NDT+FTP)/2§3低温脆性b.断口形貌法取断口上出现50%纤维状的韧性断口和50%结晶状态的脆性断口时对应的温度为断口形貌转变温度50%FATT或FATT50

。c.断口变形特征准则试样表面相对收缩或膨胀为某一定值（1%或3.8%）或膨胀与收缩部分的边长差值为0.38mm时的温度，为脆性转变温度。§3低温脆性

用不同准则定义的脆性转变温度，由于不同准则的物理意义不同，确定的脆性转变温度也不一致，甚至相差很大。tK是安全性指标，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于材料的抗脆断设计。2）落锤试验

系列缺口冲击试验确定的脆性转变温度，并不能代表实物构件的脆性转变温度，其所确定的脆性转变温度总是偏低。主要是因为缺口冲击试样的尺寸小，其几何约束要比厚、宽的实物构件小，脆化程度也小落锤试验方法用于测定全厚钢板的NDT，以作为评定材料的性能指标。落锤试验试样厚度与实际使用板厚相同，典型尺寸为25×90×350mm3、19×50×125mm3或16×50×125mm3。在试样宽度的中点沿长度方向堆焊一层脆性合金(长64mm、宽约15mm、厚约4mm)，焊块中用薄片砂轮或手锯割开一个缺口，其宽度小于1.5mm，深度为焊块厚度的一半，缺口方向与试验的拉力方向相垂直，用以诱发裂纹。落锤试验试验之前，将试样在所选的低温条件下保温30～45min，然后迅速将其移至支座上，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。试板的力学行为按温度由高到低依次发生如下的变化：a）试板只发生塑性变形，不开裂。b）试板拉伸面靠缺口附近出现裂纹，但裂纹只在缺口附近的塑性变形区内，末扩展到两侧边。c）裂纹发展到试板一侧边或两侧边。d）试件完全碎裂。一般规定裂纹能扩展到试板一侧边或横贯板宽的最高温度为无塑性转变温度，用NDT表示。NDT的含义实际是当T＜NDT时，钢板碎裂。T＞NDT时，含有大裂纹的试板不会碎裂。第三章金属在冲击载荷下的力学性能§4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素1）晶体结构的影响1.材料因素a）低、中强度的bcc金属及其合金如钢、hcp金属中的Zn、Be及其合金，有冷脆现象。b）高强度的bcc金属，如高强度及超高强度钢，冷脆转变不明显。c)fcc金属(如奥氏体钢、Ni、Al、Cu铜等)，一般情况下可认为无冷脆现象。2）化学成分a)在体心立方金属α-Fe中加入能形成间隙固溶体的元素，如碳、氮、氢等，使冲击韧性减小，冷脆转变温度提高，且含量愈大影响愈大。与位错的交互作用集聚于位错线附近形成柯氏气团，既增加σi，又使ky增加，致使σs升高，所以钢的脆性增大。第三章金属在冲击载荷下的力学性能b)α-Fe中加入能形成置换固溶体的元素，一般也不同程度地提高和扩大其冷脆转变温度和范围。因为Si、Cr等降低层错能，促进位错扩展，形成孪晶、交滑移困难。在α-Fe中加入Ni和Mn，能显著地降低冷脆转变温度并提高韧断区的冲击值。§4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素Ni减小低温时的σi和ky，故韧性提高；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。c)杂质元素S、P、Pb、Sn、As等，会降低钢的韧性。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3）晶粒尺寸细化晶粒能使材料的韧性增加，韧脆转变温度降低。4)金相组织在较低强度水平，强度相同时，韧性§4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素在高强度水平，强度相同时，中、高碳钢经等温淬火下贝氏体的韧性优于淬火马氏体在相同强度水平，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。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，低碳钢低温上贝氏体的韧性却高于回火马氏体。在低碳合金钢中，经不完全等温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。3）加载速度试样尺寸增大，材料的韧性下降，断口中纤维区减少，脆性转变温度升高。2）尺寸因素缺口越