1、第三章第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能前言前言靜載: 受的應(yīng)力取決于載荷和零件的最小斷面積。 沖擊載荷具有能量特性，與零件的斷面積、形狀和體積有關(guān)。沖擊載荷和靜載荷的主要區(qū)別在于加載速率不同。加載速率：指載荷施加于試樣或機件時的速率，用單位時間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。 增長率=d/dt表示，單位為MPasv形變速率：單位時間內(nèi)的變形量。v變形量:絕對變形量、相對變形量v形變速率：絕對形變速率 、相對形變速率，后者應(yīng)用較為廣泛。v絕對變形速率以單位時間內(nèi)試件長度的增長率V=dl/dt， 單位為ms。 v相對形變速率即應(yīng)變率，是單位時間內(nèi)應(yīng)變的變化量，v =d/dt，單位

2、為s-1。v實踐表明：應(yīng)變率在104一102S-1，金屬力學(xué)性能變化不大，按靜載荷處理;v當(dāng)應(yīng)變率大于102S-1時，力學(xué)性能顯著變化.v沖擊力學(xué)性能試驗方法揭示金屬材料沖擊時的脆斷趨勢本章主要內(nèi)容：v 介紹金屬材料在沖擊載荷下力學(xué)行為的特點;v 討論缺口試樣沖擊彎曲試驗方法;v 了解金屬材料的低溫脆性。第一節(jié)第一節(jié) 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點v沖擊載荷下的失效類型：過量彈性變形、過量沖擊載荷下的失效類型：過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂。塑性變形和斷裂。v 一一 彈性變形：應(yīng)變率對金屬材料的彈性行為彈性變形：應(yīng)變率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。及彈

3、性模量沒有影響。v彈性變形以介質(zhì)中的聲速傳播。而普通機械沖擊時的絕對變形速率在103ms以下。在彈性變形速率高于加載變形速率時，則加載速率對金屬的彈性性能沒有影響。 v二二 塑性變形塑性變形: :應(yīng)變率對塑性變形、斷裂及有應(yīng)變率對塑性變形、斷裂及有關(guān)的力學(xué)性能卻有顯著影響。關(guān)的力學(xué)性能卻有顯著影響。v 塑性變形：金屬材料在沖擊載荷作用下塑性塑性變形：金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難于充分進行。變形難于充分進行。v塑性變形發(fā)展緩慢，若加載速率較大，則塑性變形不能充分進行。 v1沖擊載荷下，瞬時位錯上高應(yīng)力，位錯運動速率增加,派納力增大，滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生附加強化。v 2沖擊載荷下應(yīng)力

4、水平比較高，將使許多位錯源同時開動，在單晶體中抑制了易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展。v 3沖擊載荷還增加位錯密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯運動自由行程平均長度，增加點缺陷濃度。v 4在靜載荷下，塑性變形比較均勻地分布在各個晶粒中，沖擊載荷下，塑性變形則比較集中在某些局部區(qū)域，塑性變形是極不均勻的。v不均勻的情況限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強度(和流變應(yīng)力)、抗拉強度提高，且屈服強度提高得較多，抗拉強度提高得較少。v三 應(yīng)變速率增加，抗拉強度增加，而且應(yīng)變速率的強度關(guān)系隨溫度的增加而增加。 圖 應(yīng)變速率對銅在各種溫度下抗拉強度的影響第二節(jié) 沖擊彎曲和沖擊韌性 v不含切口零件的沖擊：沖擊能為零件的

5、整個體積均勻地吸收，從而應(yīng)力和應(yīng)變也是均勻分布的； 零件體積愈大，單位體積吸收的能量愈小，零件所受的應(yīng)力和應(yīng)變也愈小。 v含切口零件的沖擊：切口根部單位體積將吸收更多的能量，使局部應(yīng)變和應(yīng)變速率大為升高。 另一個特點是：承載系統(tǒng)中各零件的剛度都會影響到?jīng)_擊過程的持續(xù)時間、沖擊瞬間的速度和沖擊力大小。這些量均難以精確測定和計算。且有彈性和塑性。 v因此，在力學(xué)性能試驗中，直接用能量定性地表示材料的力學(xué)性能特征；沖擊韌性即屬于這一類的力學(xué)性能。 v三個材料脆化因素：缺口、低溫、髙應(yīng)變速率。v缺口是主要因素。一 缺口試樣沖擊彎曲試驗原理v擺錘式?jīng)_擊試驗機：應(yīng)變速率可達103S-1 v綜合缺口低溫高應(yīng)

6、變速率，這三個因素對材料脆化的影響 v使材料韌性狀態(tài)脆性狀態(tài) ，比較材料因成分、組織的改變產(chǎn)生的脆斷傾向。缺口試樣的形狀有兩種v梅氏（中國和蘇聯(lián)過去用）v夏氏（美國和日本）我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)：v夏氏U型：沖擊功AKUv夏氏V型，沖擊功AKvv注意：不同的試驗條件， 不能對比。1.擺錘沖斷試樣失去的位能Ak=GH1GH2，v 試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功.單位為J。v沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功Ak表示。v2.沖擊吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韌脆程度, 部 分功消耗于試祥扔出、機身振 動、空氣阻力以及軸承與測量 機構(gòu)的摩擦

7、消耗。二 沖擊韌性Ak:v1. Ak無明確的物理意義。 Ak除以缺口處的截面積，表示單位面積的平均值，變成了純粹的數(shù)學(xué)量 。v2.Ak相同的材料，韌性并不相同。v3.Ak作為承受大能量沖擊抗力指標(biāo)或用來評定構(gòu)件壽命與可靠性的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。三.沖擊彎曲試驗主要用途 優(yōu)點：測量迅速簡便，所以沖擊韌性 AK列為五大指 標(biāo)之一 。功用： v1.通過測量沖擊吸收功和對沖擊試樣進行斷口分析，用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造，鍛造，焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。v注意：不是服役性能指標(biāo)，如規(guī)定Ak15J/2，對柴油機的連桿的要求熱處理工藝和冶金質(zhì)量是否正常提出的問題，Ak15J/2，仍可使用。 2.根據(jù)低溫沖

8、擊試驗可得Ak與溫度的關(guān)系曲線，測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。用來評定材料的冷脆傾向。評定脆斷傾向的標(biāo)準(zhǔn)是和材料的具體服役條件相聯(lián)系的 。v冷脆：指材料因溫度的降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。3.對于屈服強度大致相同的材料，根據(jù)Ak值評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性。 如彈殼、防彈甲板等，具有參考價值： 4.評定低合金高強鋼及其焊縫金屬的應(yīng)變時效敏感性。 第三節(jié) 低溫脆性一、 低溫脆性低溫脆性:一些具有體心立方晶格的金屬，如Fe、 Mo和W，當(dāng)溫度降低到某一溫度時，由于塑性降低到零而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。 從現(xiàn)象上看，是屈服強度隨溫度降低而急劇增加的結(jié)果 v倘若屈服強度隨溫度的下降而升高

9、較快，而斷裂強度升高較慢，則在某一溫度Tc以下，sc，金屬在沒有塑性變形的情況下發(fā)生斷裂，即表現(xiàn)為脆性的； 而在Tc以上，sc，金屬在斷裂前發(fā)生塑性變形，故表現(xiàn)為塑性的。 低溫脆性對壓力容器橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫下服役的機件是非常重要的. 韌脆轉(zhuǎn)化溫度是一個溫度區(qū)間。v工程上希望確定一個材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度冷脆轉(zhuǎn)化溫度，在此溫度以上只要名義應(yīng)力還處于彈性范圍，材料就不會發(fā)生脆性破壞。在冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定標(biāo)準(zhǔn)一旦建立之后，實際上是按照冷脆轉(zhuǎn)化溫度的高低來選擇材料。如圖如圖 按冷脆轉(zhuǎn)化溫度按冷脆轉(zhuǎn)化溫度選材選材v（選（選B)B)二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度v評定的標(biāo)準(zhǔn)三種類型：比較材料的脆斷傾向或選材時，注意

10、使用同一種標(biāo)準(zhǔn) 。v1)能量標(biāo)準(zhǔn) v2)斷面形貌特征 50纖維 v3)斷口的變形特征 意義 ：tK是一個韌性指標(biāo)，從韌性角度選材的依據(jù)。 實驗方法：測定韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，將試件冷卻到不同的溫度測定沖擊功AK、斷口形貌特征與溫度的關(guān)系曲線，然后按一定的方法確定韌脆轉(zhuǎn)化溫度。1、能量法(1)上平臺所對應(yīng)的能量稱為高階能，下平臺所對應(yīng)的能量稱為低階能。將低階能開始上升的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度， 記NDT(Nil Ductility Temperature)稱為零塑性溫度。在NDT以下，試件的斷口為100的結(jié)晶狀斷。 (2)將高階能開始降低的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。記為FTP(Fracture Tr

11、ansition Plastic)當(dāng)溫度高于FTP，試件的斷口為100的纖維狀斷口。(3)高階能與低階能的平均值所對應(yīng)的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為FTE(Fracture Transition Elastic)。v2斷口形貌 法v斷口上有纖維區(qū)、放射區(qū)(結(jié)晶區(qū))和剪切唇。v在不同的溫度下，三個區(qū)相對面積不同:結(jié)晶區(qū)面積百分比的增大,表示材料變脆。v通常取結(jié)晶狀斷口面積占50時的溫度為韌脆轉(zhuǎn)化溫度，記為50FATT三 tK意義 v1 tK是一個韌性指標(biāo)，反應(yīng)了溫度對韌脆性的影響；v2 tK是安全性指標(biāo)，從韌性角度選材的依據(jù)之一，抗脆斷設(shè)計，保證機件安全，但不能直接用來設(shè)計承載能力和尺寸；v3

12、 根據(jù)tK可以估計構(gòu)件最低使用溫度。韌性的溫度儲備:在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應(yīng)高于韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。這是韌性的溫度儲備。v韌性溫度儲備的大小取決于機件的重要程度。對于最重要的零件，其工作溫度不應(yīng)低于NDT+67。4 tK隨材料、定義方法外界條件的變化而變化。 第四節(jié) 影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素一、內(nèi)因1.材料成分 v晶體結(jié)構(gòu)b.c.c存在低溫脆性 普通中、低強度鋼的基體是b.c.c鐵素體； f.c.c一般不存在低溫脆性 v 成分：含碳量 對鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的影響如圖：含碳量增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度線性上升，最大沖擊值急劇下降。間隙溶質(zhì)元素含量tK,置換型溶質(zhì)元素影響不明顯Mn%tKNi%tKSPtK2.細化晶粒v細化晶粒，使韌性v派奇方程描述原因：晶界是裂紋擴展的阻力，晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中，晶界總面積增加，使晶界上的雜質(zhì)濃度下降，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂.v冷脆轉(zhuǎn)化溫度和晶粒尺寸的關(guān)系 3.金相組織鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 v 在較低溫度下，脆化溫度由高到低依次順序為 二、外部因素v1溫度v結(jié)構(gòu)鋼在某些溫度范圍內(nèi)，沖擊吸收功急劇下降。2加載速率v提高加載速率如同降低溫度，使金屬材