1、第三章第三章 材料在沖擊載荷下材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能的力學(xué)性能 第一節(jié)第一節(jié) 沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點(diǎn)沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點(diǎn) 第二節(jié)第二節(jié) 沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊彎曲和沖擊韌性 第三節(jié)第三節(jié) 低溫脆性低溫脆性 第四節(jié)第四節(jié) 影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素 n本章的意義：n生產(chǎn)中很多機(jī)件和工具受沖擊載荷作用，為了評(píng)定材料承受沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為，就需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)。n在低溫環(huán)境下使用的構(gòu)件，其用材在低溫下發(fā)生脆斷的情況是必須要嚴(yán)格關(guān)注的，因此需要進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)。n 本章的內(nèi)容：介紹材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為

2、和性能特點(diǎn)以及材料的低溫脆性。第一節(jié)第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性變形速率：= dl/dt， l是試樣長(zhǎng)度，t是時(shí)間應(yīng)變速率：一、加載速率和應(yīng)變速率 加載速率提高，應(yīng)變速率也隨之增加。/,/ddtddl l靜拉伸的應(yīng)變速率在10-510-2S-1,當(dāng)應(yīng)變速率大于10-2S-1，材料的力學(xué)性能將發(fā)生顯著的變化。11/dldlddtl dtdt lln沖擊載荷下材料變形和斷裂的特點(diǎn)彈性變形階段：應(yīng)變速率對(duì)材料的彈性行為及彈性模量沒(méi)有影響。塑性變形階段：塑性變形來(lái)不及充分進(jìn)行，且不均勻。表現(xiàn)為彈性極限、屈服強(qiáng)度的提高。012lgKK下屈服點(diǎn)低碳鋼應(yīng)變速率對(duì)鋁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影

3、響沖擊載荷下塑性變形抗力提高的原因：a)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加，使派納力增大，產(chǎn)生附加強(qiáng)化。b)迅速增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程的平均長(zhǎng)度，增加點(diǎn)缺陷濃度。c)塑性變形集中在局部區(qū)域，較之靜載條件極不均勻。應(yīng)變速率提高，材料塑性必定下降？應(yīng)變速率提高，材料塑性必定下降？材料以正斷方式斷裂，塑性隨應(yīng)變速率的增加而減小。材料以切斷方式斷裂，塑性可能不變，也可能提高。應(yīng)變速率對(duì)18Ni馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)度和塑性的影響(a)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 (b)斷面收縮率應(yīng)變速率對(duì)淬火回火35CrNiMoV鋼的強(qiáng)度和塑性的影響(a)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 (b)延伸率和斷面收縮率二、沖擊彎曲試驗(yàn)

4、(GB229-84,GB2106-80) 1 試驗(yàn)特點(diǎn)： 沖擊載荷 作用力在極短時(shí)間（微秒）內(nèi)有很大變化幅度，缺口試樣（有缺口效應(yīng)），低溫，都是致脆因素下測(cè)定試樣的沖擊功。 2 加載方式：利用擺錘的勢(shì)能，如下圖所示，測(cè)量試樣變形和斷裂所吸收的功稱(chēng)為沖擊吸收功。用AK表示，AKmg（H1-H2），單位為焦耳J。 試樣開(kāi)缺口的目的： 在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附件不大的體積范圍內(nèi)，保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)生在缺口處。沖擊試樣尺寸及加工要求3 試樣形狀：V型和U型缺口試樣，形狀和尺寸如圖所示。測(cè)量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊功時(shí)常采用10mm10mm55mm的無(wú)缺口試樣

5、。 4 試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)機(jī)直接得到的結(jié)果為沖擊功AKV（AKU），用缺口處的截面積S去除以沖擊功便得到?jīng)_擊韌度KV和KU，即 , 單位為J/cm2。 SAAaaKUKVKUKV 注意： （1）KV和KU不能進(jìn)行對(duì)比； （2）截面不同不可比； （3）試驗(yàn)機(jī)不同不可比。 5 低溫的施加方法：液氮酒精 （注意凍傷） 沖擊功（沖擊彈性功塑性功撕裂 功）空氣阻力機(jī)身振動(dòng)軸承與測(cè)量 機(jī)構(gòu)的摩擦試樣的飛出等。沖擊韌度只是一種混合的韌性指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中不能定量使用。 表示材料韌度的性能指標(biāo)共有三個(gè)：沖擊韌度（第三章）、斷裂韌度（第四章）、靜力韌度（第一章）分別用來(lái)評(píng)價(jià)材料在沖擊載荷、有裂紋的情況下靜載荷、靜拉伸載

6、荷條件下材料的韌度。三、沖擊韌度的工程意義 靜力韌度材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫作靜力韌度。應(yīng)力應(yīng)變曲線下所包圍的面積減去彈性能表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式可通過(guò)真應(yīng)力應(yīng)變曲線求得 SK斷裂時(shí)的真應(yīng)力；eK斷裂時(shí)的真應(yīng)變KKeSa22 . 0靜 沖擊韌性的意義：沖擊韌度（沖擊值KV和KU）是一個(gè)綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)?？蓹z驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量、冷脆傾向、缺口敏感性。 韌性材料的沖擊試樣斷口裂紋源缺口沖擊試樣的載荷撓度圖Ac：彈性變形功；Ap：塑性變形、變形強(qiáng)化和裂紋形成等過(guò)程吸收的功；Ad：裂紋擴(kuò)展功PF三種典型的沖擊載荷位移曲線強(qiáng)度高、塑性低、無(wú)裂紋擴(kuò)展功部分，說(shuō)

7、明這種材料裂紋難以形成，但裂紋卻極易失穩(wěn)擴(kuò)展強(qiáng)度較高，裂紋較難形成，且具有一定的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力強(qiáng)度低并具有較大的抵御裂紋擴(kuò)展的能力四、多次沖擊實(shí)驗(yàn)當(dāng)沖擊次數(shù)N105時(shí)，屬典型的疲勞斷裂。35鋼的多沖曲線沖擊能量高時(shí)，材料的多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，材料的多沖抗力主要取決于強(qiáng)度四、沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用1、 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。2、 評(píng)定材料的冷脆傾向(韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。3、 對(duì)于s大致相同的材料，可以評(píng)定材料對(duì)在沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。4、 通過(guò)建立沖擊功和其他力學(xué)性能指標(biāo)間的聯(lián)系，替代較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。第二節(jié)第二節(jié) 低低 溫溫 脆脆

8、性性一、系列沖擊試驗(yàn)與低溫脆性 系列沖擊試驗(yàn)將某一材料制成的沖擊試樣冷卻到不同的溫度測(cè)定沖擊功，可得到這種材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。這種不同溫度下的沖擊試驗(yàn)稱(chēng)為系列沖擊試驗(yàn)。 低溫脆性材料的強(qiáng)度隨溫度的降低而升高低溫脆性材料的強(qiáng)度隨溫度的降低而升高，而塑性則相反。從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕苄詣t相反。從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由斷裂，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣鲝奈⒖拙奂娃D(zhuǎn)變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣鲝睦w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱(chēng)為低溫脆性纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱(chēng)為低溫脆性或冷脆?；蚶浯唷?左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，右面

9、的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic 號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。 泰坦尼克號(hào)鋼板和現(xiàn)代鋼板的實(shí)際沖擊結(jié)果示于下圖。在2的海水中，泰坦尼克號(hào)鋼板縱、橫向試驗(yàn)中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現(xiàn)代鋼板縱向試驗(yàn)中吸收能為325焦耳，橫向試驗(yàn)中吸收能為100焦耳。上節(jié)回顧 1、硬度實(shí)驗(yàn) 2、沖擊實(shí)驗(yàn) 3、低溫脆性實(shí)驗(yàn)中歸納有3種不同的沖擊吸收功溫度關(guān)系曲線：如：銅、鋁如：淬火態(tài)高碳馬氏體鋼如：正火態(tài)20鋼第一類(lèi)曲線顯示材料在很寬的實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)都是脆 性的，如淬火態(tài)的高碳馬氏體鋼等高強(qiáng)度鋼

10、；第二類(lèi)曲線顯示具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料如Cu、 Al等在很低的實(shí)驗(yàn)溫度下仍具有較高的韌性， 這類(lèi)材料的屈服強(qiáng)度對(duì)溫度和應(yīng)變速率的變化 不敏感；第三類(lèi)曲線顯示材料在一定的溫度區(qū)間產(chǎn)生低溫脆性 轉(zhuǎn)變，如體心立方金屬及其合金、某些密排六 方金屬及其合金，及許多珠光體鐵素體兩相 鋼。這類(lèi)材料的屈服強(qiáng)度對(duì)溫度和應(yīng)變速率的 變化十分敏感。 高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯)等，也會(huì)發(fā)生低溫脆性。產(chǎn)生低溫脆性的機(jī)理材料低溫脆性的產(chǎn)生與其屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨溫度的變化有關(guān)。s、s和c隨溫度變化示意圖s：體心立方金屬等材料的屈服強(qiáng)度

11、s：面心立方金屬等材料的屈服強(qiáng)度c：材料的斷裂強(qiáng)度n體心立方金屬及其合金、某些密排六方金屬及其合金，這類(lèi)材料的屈服強(qiáng)度對(duì)溫度和應(yīng)變速率的變化十分敏感。溫度降低，屈服強(qiáng)度升高，當(dāng)屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生脆性斷裂。n具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料如Cu、Al等的屈服強(qiáng)度隨溫度的降低不發(fā)生明顯的升高，屈服強(qiáng)度總是低于斷裂強(qiáng)度，所以冷脆傾向不明顯。 微觀上，體心立方晶體中的位錯(cuò)阻力隨溫度降低而增加，故該類(lèi)材料發(fā)生低溫脆性，面心立方金屬因位錯(cuò)寬度比較大，位錯(cuò)阻力對(duì)溫度變化較不敏感，故一般不顯示低溫脆性。 n體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)。n遲屈服即對(duì)材料施加一高速載荷到高于s，材料并不立即產(chǎn)生

12、屈服，而需要經(jīng)過(guò)一段孕育期(稱(chēng)為遲屈服時(shí)間)才開(kāi)始塑性變形。在孕育期中只產(chǎn)生彈性變形，由于沒(méi)有塑性變形消耗能量，故有利于裂紋的擴(kuò)展，從而易表現(xiàn)為脆性破壞。n缺口的存在會(huì)使材料的屈服強(qiáng)度提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。t1和t2之間的差值體現(xiàn)了缺口對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響。缺口對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響缺口的存在對(duì)材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評(píng)價(jià)方法 韌脆轉(zhuǎn)化溫度由韌性狀態(tài)（塑性變形斷裂）轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（彈性變形斷裂）的溫度定義為韌脆轉(zhuǎn)化溫度。 韌脆轉(zhuǎn)化溫度的用途：在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，了解這一溫度可以確定當(dāng)使用溫度大于它時(shí)，脆性斷裂不會(huì)發(fā)生。1、低溫拉伸試驗(yàn)低溫缺口敏感度N來(lái)評(píng)定低溫脆性，并確定tk。TT

13、bN2 . 00缺口試樣低溫抗拉強(qiáng)度光滑試樣低溫屈服強(qiáng)度N1時(shí)，為缺口試樣的tk。評(píng)價(jià)方法：能量法 2、低溫沖擊試驗(yàn) (1)當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺(tái)，以低階能開(kāi)始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱(chēng)為無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。(2)高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個(gè)上平臺(tái)，稱(chēng)為“高階能”。以高階能對(duì)應(yīng)的溫度為tk，記為FTP。(3)以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義，并記為FTE。 (4)與某一固定的能量對(duì)應(yīng)的溫度。如以Akv15尺磅(20.3J)對(duì)應(yīng)的溫度定義，并記為V15TT 。低碳鋼船用鋼板斷口形貌特征法依據(jù)該法確定的韌脆轉(zhuǎn)化溫度稱(chēng)為FA

14、TT。斷口上出現(xiàn)50纖維狀韌性斷口和50脆性結(jié)晶狀斷口的試樣所對(duì)應(yīng)的溫度。沖擊斷口形貌示意圖第二節(jié)第二節(jié) 低低 溫溫 脆脆 性性 上述表明，由于定義tk的方法不同，同一材料所得tk亦有差異；同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素（如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等）的改變，tk也要變化。所以，在一定條件下用試樣測(cè)得的tk，因?yàn)楹蛯?shí)際結(jié)構(gòu)工況之間無(wú)直接聯(lián)系，不能說(shuō)明該材料制成的機(jī)件一定在該溫度下斷裂。兩種鋼材的沖擊轉(zhuǎn)變曲線韌性溫度儲(chǔ)備tt0-tk（2060 ）t0為工作溫度n3、落錘試驗(yàn) 缺口沖擊試驗(yàn)雖然測(cè)量簡(jiǎn)單方便，試驗(yàn)成本也低，但其測(cè)量的韌脆轉(zhuǎn)化溫度，在一般情況下并不能代表實(shí)物構(gòu)件的脆化溫

15、度，缺口沖擊試驗(yàn)所確定的脆化溫度總是偏低。這主要是因?yàn)槿笨跊_擊試樣尺寸小，其幾何約束要比厚的實(shí)物構(gòu)件小，由于變形的幾何約束小帶來(lái)的脆化程度也相應(yīng)地小一些。 n試驗(yàn)之前試樣在所選的低溫條件下保溫30-45分鐘，然后迅速將其移至支座上，用落錘對(duì)其沖擊 。錘的沖擊能量是根據(jù)板材厚度和材料的屈服強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)決定的。 落錘試驗(yàn)示意圖焊堆長(zhǎng)寬厚64154mmn根據(jù)試驗(yàn)溫度的高低，試樣發(fā)生如下變化：1、試樣只發(fā)生塑性變形，不開(kāi)裂；2、試樣拉伸面靠缺口附近出現(xiàn)裂紋，但未擴(kuò)展到兩側(cè)邊；3、裂紋擴(kuò)展到試樣的一側(cè)邊或兩側(cè)邊；4、試樣完全碎裂。 這個(gè)溫度叫做無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度簡(jiǎn)稱(chēng)NDT，是產(chǎn)生無(wú)塑性破壞的最高溫度 。如

16、試驗(yàn)溫度低于NDT，則裂紋就可自拉伸面橫穿板的寬度直至邊緣。斷裂分析圖（FAD） 斷裂分析圖表示了應(yīng)力、缺陷和溫度三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，只要確定了其中任意兩個(gè)參數(shù)，就可以求出第三個(gè)參數(shù)。 三、影響材料低溫脆性的因素 1晶體結(jié)構(gòu) bcc有冷脆，fcc無(wú)冷脆 2化學(xué)成分 間隙溶質(zhì)元素含量增加，韌脆轉(zhuǎn) 化溫度升高，如含碳量增加，鋼 的韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高；雜質(zhì)元素 含量增加，容易偏聚在晶界附 近，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。 3 晶粒大小 tk=lnB-lnC-lnd-1/2 、B、C為常數(shù)， 與i有關(guān)，C為裂紋擴(kuò)展阻力的度量； d：晶粒直徑。n原因：晶粒減小，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂；晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力。鐵素體晶粒尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響上節(jié)回顧 1、低溫脆性 2、韌脆轉(zhuǎn)變溫度及其表征方法 3、影響材料低溫脆性的因素4、金相組織 韌性增大的順序：珠光體上貝氏體下貝氏體回火索氏體；鋼中碳化物及夾雜物等第二相對(duì)鋼的脆性的影響程度取決于第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、分布、第二相性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等因素。熱處理方式對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響5、加載速率 提高加載速率，提高缺口處