《材料性能学》课件-第三章 材料的冲击韧性及低温脆性

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、防弹材料等，本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点及指标。摆锤式冲击试验机第一节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图3-1冲击实验原理AK=GH1-GH2

冲击吸收功具体的试验与方法及操作规范可参考GB229-84和GB2106-80。H1H2图3-2U型缺口试样尺寸及加工要求图3-3V型缺口试样尺寸及加工要求测定冲击吸收功时，陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料无需开缺口。第一节冲击弯曲试验与冲击韧性10mm×l0mm×55mm2、多次冲击试验多次冲击试验的规律当试样破坏前,承受的冲击次数少于500～1000次，试样断裂的规律与一次冲击相同；当冲击次数N＞105时，破坏后具有典型的疲劳断口特征。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，多冲抗力不能用AK值简单代替。第一节冲击弯曲试验与冲击韧性第一节冲击弯曲试验与冲击韧性2、多次冲击试验

图3-4多次冲击曲线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。ZCJ2000系列NDT

落锤式冲击试验机新三思ZCJ2304型落锤撕裂试验机DHR-0404型落锤试验机

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/cm2。

冲击韧度（冲击值）第一节冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义1．一次冲击缺口处截面积

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，故取平均值是毫无物理意义的，所以目前很少把aKV（aKU）作为材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标。第一节冲击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

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。因为有一部分功消耗于空气阻力、机身振动、轴承与测量机构的摩擦及冲断试样的飞出等。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。第一节冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义1．一次冲击一次冲击弯曲试验主要有以下几方面用途：

⑴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。第一节冲击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

⑵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。

⑶对σs（屈服强度）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。第一节冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义1．一次冲击多冲抗力的表示方法，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。

第一节冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义2．多次冲击试验表明，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。材料的多冲抗力的变化规律：⑴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，材料的多抗力主要取决于强度。图3-535钢多冲曲线第一节冲击弯曲试验与冲击韧性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。图3-640钢冲击疲劳抗力、常规力学性能与回火温度的关系(2)不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。

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．图3-640钢冲击疲劳抗力、常规力学性能与回火温度的关系(2)不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。

锻锤锤杆，原用45Cr钢油淬，650℃回火，αk值高，强度低，使用过程中常易折断，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，αk值降低，使用寿命明显提高。图3-7碳钢冲断次数与冲击韧度的关系⑶aKV值对冲击疲劳抗力的影响第一节冲击弯曲试验与冲击韧性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。1-σb＝l700MPa2-σb＝l500MPa3-σb＝l300MPa4-σb＝l000MPa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。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．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4982m／s，而普通摆锤冲击试验时绝对变形速度只有5～5.5m／s，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。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，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。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．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。冲击载荷和静载荷失效相同点：过量弹性变形、过量塑性变形和断裂．冲击载荷和静载荷失效不同点：变形速率不同；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。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：

(1)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，而对塑性变形、断裂等有显著的影响。

(2)冲击载荷。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，减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度等。24三、冲击脆化效应20第二节

低温脆性

1912年4月10日“泰坦尼克”号从英

国开始它的第一次航行(目的地美国纽约)，4月14日晚11点40分，泰坦尼克号在北大西洋撞上冰山，两小时四十分钟后，4月15日凌晨2点20分沉没，由于只有20艘救生艇，1523人葬身海底。美国《纽约时报》2008年4月15日刊登一篇署名文章，披露了导致这起世纪海难的主要原因：劣质铆钉(含有大量矿渣而形成小洞)低温脆断所致Titanic由于早年的Titanic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。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300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。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。27“长征二号F”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-183℃，液氢的沸点是-253℃。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金的耐低温特性，采用高强度铝合金材料制成。定义：材料在某一温度tk下由韧变脆，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

晶状。如体心立方金属，某些密排金属合金。测量不同温度(低、室、高温)下冲击韧性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。tk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于tk。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。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。钢的脆性转变温度实验温度（℃）一、系列冲击实验与低温脆性系列冲击试验：对某些材料，分别在低温、室温和高温下进行冲击实验，可以得到一系列冲击值AK（或aK），然后根据冲击值与所对应的实验温度得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线，即AK－t或aK－t。据此评定材料的低温脆性、蓝脆和重结晶脆性等。实验温度（℃）钢的脆性转变温度第二节低温脆性

系列冲击实验证明：体心立方或某些密排六方的晶体金属及合金，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（韧脆转变温度）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。一、系列冲击实验与低温脆性第二节低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性不同材料的冷脆倾向第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆性（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。第三类曲线显示材料在一定温度区间产生低温脆性转变（体心立方金属及其合金、部分密排立方金属及合金）。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。

吸收功温度σs、σ`s和σc随温度变化示意图第二节低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性从宏观角度分析，材料低温跪性的产生与其屈服强度σs和断裂强度σc随温度的变化有关．因热激活对裂纹扩展的力学条件σc没有明显作用，故断裂强度σc随温度的变化很小。

具有体心立方或密排六方结构的金属或合金的屈服强度σs对温度变化十分敏感，温度降低，σs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，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σc，材料表现为脆性断裂。σs、σ's和σc随温度变化示意图第二节低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性

面心立方结构材料的σ's随温度的下降变化不大，近似为一水平线，即使在很低的温度仍未与σc曲线相交，故此种材料的脆性断裂现象不明显。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σi对温度变化非常敏感有关，σi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，σi对温度变化不敏感，故一般不显示低温脆性．第二节低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性

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。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。

二、韧脆转化温度及其评价方法第二节低温脆性目前尚无简单的判据求韧脆转变温度tk。通常只是根据断裂消耗的功、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义tk。

韧脆转变温度tk是金属材料的韧性指标，反映了温度对韧脆性的影响，也是从韧性角度选材的重要依据之一。韧性是金属材料塑性变形和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。⑴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，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。第二节低温脆性二、韧脆转化温度及其评价方法图3-9各种韧脆转变温度判据⑵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。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。第二节低温脆性二、韧脆转化温度及其评价方法图3-9各种韧脆转变温度判据⑶以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE（fracturetransitionelastic）。⑷以AKV=15尺磅(20.3N·m)对应的温度定义，并记为V15TT。这个规定是根据大量实践经验总结出来的。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。第二节低温脆性二、韧脆转化温度及其评价方法图3-9各种韧脆转变温度判据⑸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。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50％FATT（fractureappearancetransitiontemperature）或FATT50、t50。图3-10冲击断口形貌示意图

第二节低温脆性二、韧脆转化温度及其评价方法

50％FATT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，50%FATT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。韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，是安全性指标。tk是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。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。第二节低温脆性二、韧脆转化温度及其评价方法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。

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传播造成有利条件。

中、低强度钢的基体是体心立方结构的铁素体，故都有明显的低温脆性。第二节低温脆性三、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晶格中，通过与位错的交互作用偏聚于位借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。图3-11合金元素对钢的韧脆转变温度的影响第二节低温脆性三、影响材料低温脆性的因素σs=σi+kyd-1/2Hall-Petch关系σs-屈服强度,σi-抵抗位错在晶粒中运动的摩擦阻力,Ky-常数,d-晶粒直径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。

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。第二节低温脆性三、影响材料低温脆性的因素3、显微组织的影响⑴晶粒大小细化晶粒可使材料韧性增加。图3-12韧脆转变温度和铁素体晶粒直径的关系第二节低温脆性三、影响材料低温脆性的因素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。3、显微组织的影响

⑵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。第二节低温脆性三、影响材料低温脆性的因素索氏体贝氏体珠光体

铁素体(体心立方)、奥氏体(面心立方)和奥氏体钢在较高强度水平时。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。下贝氏体上贝氏体低温回火马氏体在低碳合金钢中，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次改变方向，消耗能量较大，故钢的韧性较高．关于中碳合金钢马氏体－贝氏体混合组织的韧性，亦视钢在奥氏体化后的冷却过程中贝氏体