第三章 金屬在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能

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

2、擊載荷下的力學(xué)行為和 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 / dldl ddt l dtdt ll n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 模量沒有影響。 塑性變形階段：塑性變形來不及充分進(jìn)行，且不均 勻。表現(xiàn)為彈性極限、屈服強(qiáng)度的提高。 0

3、12 lgKK 下屈服點(diǎn) 低碳鋼 應(yīng)變速率對(duì)鋁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響 沖擊載荷下塑性變形抗力提高的原因： 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。 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。 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

4、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) (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為沖擊吸 收功。用AK表示，AKmg（H1-H2），單位 為焦耳J。 試樣開缺口的目的： 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

5、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 無缺口試樣。 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。 S AA aa KUKV KUKV 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

6、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 K K e S a 2 2 . 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

7、 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、無裂紋擴(kuò)展功部分，說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

8、。 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 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?斷裂，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由斷

9、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?，斷口特征從微孔聚集型轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征?纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱為低溫脆性纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱為低溫脆性 或冷脆。或冷脆。 左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，右面的是 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

10、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； 第二類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。這類材料的屈服強(qiáng)度對(duì)溫度和應(yīng)變速率的 變化十分

11、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 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

12、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)生屈服，而需要經(jīng)過一段孕育期(稱為遲屈 服時(shí)間)才開始塑性變形。在孕育期中只產(chǎn)生彈性變 形，由于沒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。

13、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來評(píng)定低溫脆性，并確定tk。 T Tb N 2 . 0 0 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?料吸收的沖擊能量基本 不隨溫度而變化，形成 一平臺(tái)，以低階能開始 上升的溫度定義t

14、k，并 記為NDT，稱為無塑性 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) 化溫度稱為FATT。 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

15、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)工況之間無直接聯(lián)系，不能 說明該材料制成的機(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)?缺口沖擊試樣尺寸小，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

16、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 64154mm n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)溫度叫做無塑性轉(zhuǎn)變溫度簡(jiǎn)稱NDT，是產(chǎn)生無 塑性破壞的最高溫度 。如試驗(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

17、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，