第三章_材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能

1、1 第三章第三章 材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能 前面我們講述的是材料在常溫、靜載下的力學(xué)前面我們講述的是材料在常溫、靜載下的力學(xué)性能。工程中，還有許多機(jī)件是快速加載即沖擊載性能。工程中，還有許多機(jī)件是快速加載即沖擊載荷及低溫條件下工作的，如：汽車(chē)在凸凹不平的道荷及低溫條件下工作的，如：汽車(chē)在凸凹不平的道路上行駛；飛機(jī)的起飛和降落；材料的壓力加工等；路上行駛；飛機(jī)的起飛和降落；材料的壓力加工等；其性能將與常溫、靜載的不同。其性能將與常溫、靜載的不同。 沖擊載荷與靜載的主要差異沖擊載荷與靜載的主要差異：加載速率不同加載速率不同，是指載荷施加于試樣或機(jī)件的速率，用單是指載荷施

2、加于試樣或機(jī)件的速率，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。 2 因加載速率提高，形變速率也隨之增加，形變速因加載速率提高，形變速率也隨之增加，形變速率是單位時(shí)間的變形量。因此，用率是單位時(shí)間的變形量。因此，用形變速率形變速率（又分絕（又分絕對(duì)變形速率和相對(duì)變形速率）對(duì)變形速率和相對(duì)變形速率）可以間接地反映加載速可以間接地反映加載速率的變化率的變化。相對(duì)變形速率又稱應(yīng)變率相對(duì)變形速率又稱應(yīng)變率。 不同機(jī)件的應(yīng)變速率范圍大約為不同機(jī)件的應(yīng)變速率范圍大約為10-6106s-1。靜。靜拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率為拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率為10-510-2s-1，沖擊試驗(yàn)的應(yīng)，沖擊試驗(yàn)的應(yīng)變速率

3、為變速率為102104s-1。試驗(yàn)表明，應(yīng)變速率在。試驗(yàn)表明，應(yīng)變速率在10-410-2s-1內(nèi)，金屬的力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化，可按靜載內(nèi)，金屬的力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化，可按靜載荷處理。荷處理。當(dāng)應(yīng)變速率大于當(dāng)應(yīng)變速率大于1010-2-2s s-1-1時(shí)，力學(xué)性能將發(fā)生時(shí)，力學(xué)性能將發(fā)生明顯變化明顯變化。 3 缺口缺口 沖擊載荷沖擊載荷 降低溫度降低溫度 鋼的冷脆是一種低能量斷裂，一般為解理斷裂，鋼的冷脆是一種低能量斷裂，一般為解理斷裂，有時(shí)為準(zhǔn)解理斷裂或沿晶斷裂。有時(shí)為準(zhǔn)解理斷裂或沿晶斷裂。冷脆的斷裂功極低，冷脆的斷裂功極低，后果是災(zāi)難性的后果是災(zāi)難性的。（原因是斷裂面間距為原子間距，。（原因是

4、斷裂面間距為原子間距，力的作用距離只有力的作用距離只有0.1nm數(shù)量級(jí)，即使力很大，斷數(shù)量級(jí)，即使力很大，斷裂所消耗的功裂所消耗的功W=F.S也相當(dāng)?shù)停?。也相?dāng)?shù)停?使塑性變形得不到充分發(fā)展，更使塑性變形得不到充分發(fā)展，更靈敏地反映材料的靈敏地反映材料的變脆傾向變脆傾向。 （脆斷趨勢(shì)）（脆斷趨勢(shì)）43-1 3-1 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn) 沖擊載荷下，整個(gè)承載系統(tǒng)承受沖擊能，所以沖擊載荷下，整個(gè)承載系統(tǒng)承受沖擊能，所以機(jī)件、與機(jī)件相連物體的機(jī)件、與機(jī)件相連物體的剛度剛度都直接影響沖擊過(guò)程都直接影響沖擊過(guò)程的時(shí)間，從而影響加速度和慣性力的大小的時(shí)間，從而影響

5、加速度和慣性力的大小。 由于由于沖擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，測(cè)量不準(zhǔn)確，難于沖擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，測(cè)量不準(zhǔn)確，難于按慣性力計(jì)算機(jī)件內(nèi)的應(yīng)力按慣性力計(jì)算機(jī)件內(nèi)的應(yīng)力，所以機(jī)件在沖擊載荷，所以機(jī)件在沖擊載荷下所受的應(yīng)力，通常下所受的應(yīng)力，通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)件內(nèi)假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)件內(nèi)的彈性能的彈性能，再按能量守恒法計(jì)算。，再按能量守恒法計(jì)算。5 1、應(yīng)變率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量應(yīng)變率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量沒(méi)有影響沒(méi)有影響。 因彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的，聲速因彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的，聲速在金屬介質(zhì)中相當(dāng)大，鋼中為在金屬介質(zhì)中相當(dāng)大，鋼中為4982 m/s，普通擺，普通擺

6、錘沖擊時(shí)絕對(duì)變形速率只有錘沖擊時(shí)絕對(duì)變形速率只有55.5m/s，沖擊彈性，沖擊彈性變形總能跟上沖擊力的變化。變形總能跟上沖擊力的變化。6 2、金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難于充金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難于充分進(jìn)行分進(jìn)行，原因?yàn)?，原因?yàn)椋?沖擊載荷下沖擊載荷下應(yīng)力水平比較高應(yīng)力水平比較高，滑移臨界切應(yīng)，滑移臨界切應(yīng)力增大，力增大，產(chǎn)生附加強(qiáng)化產(chǎn)生附加強(qiáng)化；使許多位錯(cuò)源同時(shí)起作用，；使許多位錯(cuò)源同時(shí)起作用，抑制了單晶體中易滑移階段的產(chǎn)生與發(fā)展抑制了單晶體中易滑移階段的產(chǎn)生與發(fā)展。 沖擊載荷沖擊載荷增加了位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目增加了位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出，出現(xiàn)孿晶，減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程

7、平均長(zhǎng)度，增加現(xiàn)孿晶，減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程平均長(zhǎng)度，增加了點(diǎn)缺陷的濃度。了點(diǎn)缺陷的濃度。7 靜載荷作用時(shí)靜載荷作用時(shí)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中；晶粒中； 沖擊載荷作用時(shí)沖擊載荷作用時(shí)：塑性變形則比較集中于某一局：塑性變形則比較集中于某一局部區(qū)域，反映了塑性變形不均勻。部區(qū)域，反映了塑性變形不均勻。 這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致了這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致了屈服屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高，強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高，且屈服強(qiáng)度提高的較為明顯，且屈服強(qiáng)度提高的較為明顯，抗拉強(qiáng)度提高的較少?？估瓘?qiáng)度提高的較少。如圖所示如圖所示。 3、材料塑性和應(yīng)變

8、速率之間無(wú)單值依存關(guān)系材料塑性和應(yīng)變速率之間無(wú)單值依存關(guān)系。8 4 4、隨應(yīng)變率增加，塑性、韌性與斷裂方式有、隨應(yīng)變率增加，塑性、韌性與斷裂方式有關(guān)。關(guān)。 如果在一定加載條件及溫度下：如果在一定加載條件及溫度下： 材料產(chǎn)生正斷材料產(chǎn)生正斷，則斷裂應(yīng)力變化不大，隨應(yīng)，則斷裂應(yīng)力變化不大，隨應(yīng)變率的增加塑性減??；變率的增加塑性減??； 如果如果材料產(chǎn)生切斷材料產(chǎn)生切斷，則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率，則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率提高顯著增加，塑性的變化不一定，可能不變或提提高顯著增加，塑性的變化不一定，可能不變或提高。高。93-2 3-2 沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊彎曲和沖擊韌性 一、沖擊韌性一、沖擊韌性 是指材料在沖擊

9、載荷作用下吸收（彈性變形功）是指材料在沖擊載荷作用下吸收（彈性變形功）塑性變形功和斷裂功的能力塑性變形功和斷裂功的能力。常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的。常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊沖擊吸收功吸收功A AK K來(lái)表示。來(lái)表示。 二、沖擊試樣二、沖擊試樣 如圖所示如圖所示 1、沖擊彎曲試驗(yàn)試樣的種類：、沖擊彎曲試驗(yàn)試樣的種類： 夏比夏比v型缺口沖擊試樣（我國(guó)以前稱夏氏試樣）型缺口沖擊試樣（我國(guó)以前稱夏氏試樣） 夏比夏比u型缺口沖擊試樣（我國(guó)以前稱梅氏試樣）型缺口沖擊試樣（我國(guó)以前稱梅氏試樣） 無(wú)缺口沖擊試樣無(wú)缺口沖擊試樣：適用于脆性材料（球鐵、工具：適用于脆性材料（球鐵、工具鋼、淬火鋼等）鋼、淬火鋼等） 缺口試樣缺口試樣1

10、0 2、沖擊試樣、沖擊試樣開(kāi)缺口的目的開(kāi)缺口的目的 使缺口附近造成應(yīng)力集中，保證在缺口處破使缺口附近造成應(yīng)力集中，保證在缺口處破斷。斷。 缺口的深度和尖銳程度對(duì)沖擊吸收功影響顯缺口的深度和尖銳程度對(duì)沖擊吸收功影響顯著。缺口越深、越尖銳，著。缺口越深、越尖銳，Ak值越小，材料表現(xiàn)的值越小，材料表現(xiàn)的脆性越大。脆性越大。 所以，不同類型和尺寸試樣的所以，不同類型和尺寸試樣的Ak值不能相互值不能相互換算和直接比較。換算和直接比較。 11 三、沖擊彎曲試驗(yàn)原理三、沖擊彎曲試驗(yàn)原理 1、沖擊試驗(yàn)的分類：按其服役工況有：、沖擊試驗(yàn)的分類：按其服役工況有：圖圖 簡(jiǎn)支梁下的沖擊彎曲試驗(yàn)（夏比沖擊試驗(yàn)）簡(jiǎn)支梁下

11、的沖擊彎曲試驗(yàn)（夏比沖擊試驗(yàn)） 懸臂梁下的沖擊彎曲試驗(yàn)（艾氏沖擊試驗(yàn)）懸臂梁下的沖擊彎曲試驗(yàn)（艾氏沖擊試驗(yàn)） GB/T41581984 沖擊拉伸試驗(yàn)沖擊拉伸試驗(yàn) 沖擊扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)沖擊扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 按試驗(yàn)溫度可分為高溫、低溫和常溫沖擊試驗(yàn)，按試驗(yàn)溫度可分為高溫、低溫和常溫沖擊試驗(yàn)，按試樣的缺口類型可分為按試樣的缺口類型可分為V型和型和U型兩種沖擊試驗(yàn)?，F(xiàn)型兩種沖擊試驗(yàn)?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2292007金屬材料金屬材料 夏比擺錘沖夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法擊試驗(yàn)方法將以上所涉及的試驗(yàn)方法統(tǒng)一合并在一將以上所涉及的試驗(yàn)方法統(tǒng)一合并在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，更加便于執(zhí)行。個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，更加便于執(zhí)行。 2 2、沖擊彎曲試

12、驗(yàn)、沖擊彎曲試驗(yàn)： GB/T229-2007金屬材料金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法法規(guī)定，規(guī)定，如圖所示如圖所示。沖擊吸收能量。沖擊吸收能量K（1994年標(biāo)準(zhǔn)年標(biāo)準(zhǔn)為沖擊吸收功為沖擊吸收功Ak）：）：KGH1-GH2=G(H1-H2)mg(H1-H2) 對(duì)采用對(duì)采用u型缺口和型缺口和v型缺口的試樣，其沖擊吸收功型缺口的試樣，其沖擊吸收功分別用分別用Aku和和Akv來(lái)表示。試驗(yàn)前需對(duì)來(lái)表示。試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校核。進(jìn)行校核。 舊標(biāo)準(zhǔn)使用舊標(biāo)準(zhǔn)使用ak（沖擊韌性）作為性能指標(biāo)。（沖擊韌性）作為性能指標(biāo)。 (J/cm2)NkkFAa 13 新標(biāo)準(zhǔn)新標(biāo)準(zhǔn)沖擊吸收能量沖擊吸收能

13、量K K的表示方法的表示方法： 為了表示不同類型沖擊試樣的試驗(yàn)結(jié)果，兩為了表示不同類型沖擊試樣的試驗(yàn)結(jié)果，兩種類型試樣在兩種擺錘刀刃下的吸收能量用如下種類型試樣在兩種擺錘刀刃下的吸收能量用如下符號(hào)表示，以示區(qū)別：符號(hào)表示，以示區(qū)別： V型缺口試樣在型缺口試樣在2mm擺錘刀刃下的沖擊吸收擺錘刀刃下的沖擊吸收能量，表示為能量，表示為KV2； V型缺口試樣在型缺口試樣在8mm擺錘刀刃下的沖擊吸收擺錘刀刃下的沖擊吸收能量，表示為能量，表示為KV8； U型缺口試樣在型缺口試樣在2mm擺錘刀刃下的沖擊吸收擺錘刀刃下的沖擊吸收能量，表示為能量，表示為K U2； U型缺口試樣在型缺口試樣在8mm擺錘刀刃下的沖

14、擊吸收擺錘刀刃下的沖擊吸收能量，表示為能量，表示為K U8。14 四、沖擊值的意義和討論四、沖擊值的意義和討論 1、a ak k值沒(méi)有明確的物理意義值沒(méi)有明確的物理意義 其一：沖斷試樣時(shí)其一：沖斷試樣時(shí)所消耗的能量并非沿試樣截所消耗的能量并非沿試樣截面均勻分布面均勻分布，而是主要被缺口附近的體積吸收，缺，而是主要被缺口附近的體積吸收，缺口附近與缺口遠(yuǎn)處吸收的能量在數(shù)值上相差極大?？诟浇c缺口遠(yuǎn)處吸收的能量在數(shù)值上相差極大。 其二：其二：吸收能量是體積的而不是面積吸收能量是體積的而不是面積，所以用，所以用單位面積吸收的能量單位面積吸收的能量ak來(lái)表示材料沖擊條件下的韌來(lái)表示材料沖擊條件下的韌性，

15、其物理意義不夠明確。性，其物理意義不夠明確。 15 2、A Ak k或或K K值相同的材料，其韌性不一定相同值相同的材料，其韌性不一定相同 因?yàn)椋嚇铀盏臎_擊能量包括了三部分，因?yàn)椋嚇铀盏臎_擊能量包括了三部分，即彈性變形功、塑性變形功和裂紋擴(kuò)展功。對(duì)不即彈性變形功、塑性變形功和裂紋擴(kuò)展功。對(duì)不同的材料，沖擊吸收功數(shù)值可能相同，但這三部同的材料，沖擊吸收功數(shù)值可能相同，但這三部分各占的比例確不一定相同。而真正能顯示材料分各占的比例確不一定相同。而真正能顯示材料韌性好壞的是后兩部分，尤其是裂紋擴(kuò)展功的大韌性好壞的是后兩部分，尤其是裂紋擴(kuò)展功的大小。小。16 3 3、沖擊吸收能量沖擊吸收能

16、量K K（沖擊吸收功（沖擊吸收功A AK K）并非完）并非完全用于試樣變形和破斷。全用于試樣變形和破斷。 沖擊試驗(yàn)時(shí)，擺錘所消耗的總功沖擊試驗(yàn)時(shí)，擺錘所消耗的總功k一部分一部分用用于試樣的變形和破斷。于試樣的變形和破斷。另一部分另一部分消耗于試樣的擲消耗于試樣的擲出、機(jī)身振動(dòng)、克服空氣阻力以及軸承和測(cè)量機(jī)出、機(jī)身振動(dòng)、克服空氣阻力以及軸承和測(cè)量機(jī)構(gòu)中的摩擦消耗，在擺錘試驗(yàn)時(shí)這部分功是忽略構(gòu)中的摩擦消耗，在擺錘試驗(yàn)時(shí)這部分功是忽略不計(jì)的。不計(jì)的。當(dāng)擺錘軸線與缺口中心線不一致時(shí)當(dāng)擺錘軸線與缺口中心線不一致時(shí)，上，上述功耗比較大，所以不同試驗(yàn)機(jī)和不同人員操作述功耗比較大，所以不同試驗(yàn)機(jī)和不同人員操作

17、的的k值相差值相差1030。 17 五、沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用五、沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用 盡管用盡管用ak、Ak或或K作為一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)表作為一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)表示沖擊韌性存在著各種不足之處，但其值的大小示沖擊韌性存在著各種不足之處，但其值的大小對(duì)材料的組織十分敏感，能敏感地反映出材料品對(duì)材料的組織十分敏感，能敏感地反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。同時(shí)，在質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。同時(shí)，在生產(chǎn)上的長(zhǎng)期應(yīng)用，已經(jīng)積累了大量有價(jià)值的資生產(chǎn)上的長(zhǎng)期應(yīng)用，已經(jīng)積累了大量有價(jià)值的資料和數(shù)據(jù)。常用來(lái)檢驗(yàn)冶金、熱加工質(zhì)量?，F(xiàn)在料和數(shù)據(jù)。常用來(lái)檢驗(yàn)冶金、熱加工質(zhì)量。現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：還廣

18、泛應(yīng)用在以下幾個(gè)方面： 18 1、評(píng)定原材料的冶金缺陷和熱加工后的質(zhì)量評(píng)定原材料的冶金缺陷和熱加工后的質(zhì)量（如圖所示如圖所示） 檢驗(yàn)冶金缺陷檢驗(yàn)冶金缺陷：夾渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏：夾渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析以及夾雜物超級(jí)。析以及夾雜物超級(jí)。 檢驗(yàn)鍛造和熱處理缺陷檢驗(yàn)鍛造和熱處理缺陷：過(guò)熱、過(guò)燒、回火：過(guò)熱、過(guò)燒、回火脆性、淬火和鍛造裂紋等。脆性、淬火和鍛造裂紋等。 2、根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)，可、根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)，可測(cè)得測(cè)得k與溫度的關(guān)與溫度的關(guān)系曲線系曲線，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、藍(lán)脆、重結(jié)，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、藍(lán)脆、重結(jié)晶脆性。晶脆性。 19 3、作為材料承受大能量沖擊破壞時(shí)的抗力作為材料承

19、受大能量沖擊破壞時(shí)的抗力指標(biāo)指標(biāo)。 如對(duì)裝甲板之類的結(jié)構(gòu)件，沖擊功就是一個(gè)如對(duì)裝甲板之類的結(jié)構(gòu)件，沖擊功就是一個(gè)重要抗力指標(biāo)。但對(duì)承受小能量多次沖擊（成千重要抗力指標(biāo)。但對(duì)承受小能量多次沖擊（成千上萬(wàn)次）的結(jié)構(gòu)件，用沖擊功作為抗力指標(biāo)并不上萬(wàn)次）的結(jié)構(gòu)件，用沖擊功作為抗力指標(biāo)并不合適。合適。203-3 3-3 低溫脆性低溫脆性 一、低溫脆性現(xiàn)象一、低溫脆性現(xiàn)象 1、定義定義：體心立方金屬及合金或某些密排六方：體心立方金屬及合金或某些密排六方金屬及其合金，隨試驗(yàn)溫度的下降而降低，金屬及其合金，隨試驗(yàn)溫度的下降而降低，在試驗(yàn)在試驗(yàn)溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，溫度低于某一溫度時(shí)，會(huì)

20、由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型斷裂沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型斷裂變?yōu)榇┚嗔?，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀。變?yōu)榇┚嗔?，斷口特征由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀。這種現(xiàn)象稱為低溫脆性這種現(xiàn)象稱為低溫脆性，又稱為，又稱為冷脆冷脆。這種轉(zhuǎn)變稱。這種轉(zhuǎn)變稱為為韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。 轉(zhuǎn)變溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱為冷脆轉(zhuǎn)變，又稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。 面心立方金屬及其合金一般沒(méi)有低溫脆性現(xiàn)象。面心立方金屬及其合金一般沒(méi)有低溫脆性現(xiàn)象。21 2 2、原因、原因 低于某一溫度（韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于某一溫度（韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk）時(shí)，塑）時(shí)，塑性斷裂強(qiáng)度高

21、于正斷強(qiáng)度（如圖所示）。塑性性斷裂強(qiáng)度高于正斷強(qiáng)度（如圖所示）。塑性斷裂強(qiáng)度在塑性變形過(guò)程中隨形變強(qiáng)化和應(yīng)力斷裂強(qiáng)度在塑性變形過(guò)程中隨形變強(qiáng)化和應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。狀態(tài)的變化而變化。 體心立方金屬的低溫脆性還可能與遲屈服體心立方金屬的低溫脆性還可能與遲屈服有關(guān)有關(guān)。 22 二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度 目前，常用根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌目前，常用根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來(lái)定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨溫度的變化來(lái)定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk。 1、能量準(zhǔn)則法能量準(zhǔn)則法： 沖擊功隨溫度的變化而變化，變化趨勢(shì)如圖沖擊功隨溫度的變化而變化，變化趨勢(shì)如圖所示。能量法定義所示。能量法定義tk的方法

22、有以下三種：的方法有以下三種： 以低階能以低階能開(kāi)始上升的溫度開(kāi)始上升的溫度定義為定義為tk，記為，記為NDT（Nil Ductility Temperature）稱為）稱為無(wú)塑性或無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度零塑性轉(zhuǎn)變溫度。23 以以高階能對(duì)應(yīng)的溫度高階能對(duì)應(yīng)的溫度定義為定義為tk，記為，記為FTP(Fracture Transition Plastic)，較為保守的，較為保守的方法。方法。 以低階能和高階能以低階能和高階能平均值平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義對(duì)應(yīng)的溫度定義為為tk，記為，記為FTE(Fracture Transition Elastic)。 新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：沖擊吸收能量達(dá)到某一特定值

23、沖擊吸收能量達(dá)到某一特定值時(shí)，例如時(shí)，例如KV827J；沖擊吸收能量達(dá)到上平臺(tái)某沖擊吸收能量達(dá)到上平臺(tái)某一百分?jǐn)?shù)，例如一百分?jǐn)?shù)，例如50；剪切斷面率達(dá)到某一百分剪切斷面率達(dá)到某一百分?jǐn)?shù)，例如數(shù)，例如50；側(cè)膨脹值達(dá)到某一個(gè)量。例如側(cè)膨脹值達(dá)到某一個(gè)量。例如0.9mm。24 2 2、斷口形貌法斷口形貌法 沖擊斷口形態(tài)如圖所示。分成為纖維區(qū)、放射沖擊斷口形態(tài)如圖所示。分成為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū)。形成過(guò)程區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū)。形成過(guò)程 通常取結(jié)晶區(qū)面積占總面積的通常取結(jié)晶區(qū)面積占總面積的50的溫度作為的溫度作為tk，并記作，并記作FATT50 ，如圖所示，通用，如圖所示，通用v型試樣。型試樣。

24、需要說(shuō)明的是需要說(shuō)明的是：tk屬于韌性指標(biāo)，也是安全性指屬于韌性指標(biāo)，也是安全性指標(biāo)。但不能直接用于機(jī)件的設(shè)計(jì)計(jì)算；因定義標(biāo)。但不能直接用于機(jī)件的設(shè)計(jì)計(jì)算；因定義tk的方的方法不同，同一種材料的也不同，同一種材料使用同法不同，同一種材料的也不同，同一種材料使用同一種方法時(shí)，可能因?yàn)橥饨缫蛩兀ㄔ嚇映叽纭⑷笨谝环N方法時(shí)，可能因?yàn)橥饨缫蛩兀ㄔ嚇映叽纭⑷笨诩怃J程度和加載速率等）的改變也要發(fā)生變化。尖銳程度和加載速率等）的改變也要發(fā)生變化。25 三、落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖三、落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖 是一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，見(jiàn)是一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，見(jiàn)GB/T6803-1986鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法鐵素體鋼

25、的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法。（如圖所示）（如圖所示） 測(cè)定的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度用測(cè)定的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度用NDT表示。表示。263-3 3-3 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 一、材料方面的因素（內(nèi)因）一、材料方面的因素（內(nèi)因） 1 1、晶體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等級(jí)晶體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等級(jí) 體心立方、密排六方金屬及其合金脆斷傾向體心立方、密排六方金屬及其合金脆斷傾向明顯，密排六方金屬不明顯（原因在于派納力的明顯，密排六方金屬不明顯（原因在于派納力的高低）。中低強(qiáng)度鋼一般屬于體心立方金屬，脆高低）。中低強(qiáng)度鋼一般屬于體心立方金屬，脆斷傾向明顯。高強(qiáng)度鋼斷傾向明顯。高強(qiáng)度鋼tk不明顯。

26、不明顯。27 2 2、化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度tk提高。提高。 置換型溶質(zhì)元素對(duì)韌性影響不明顯。置換型溶質(zhì)元素對(duì)韌性影響不明顯。 雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb等，使鋼的韌等，使鋼的韌性下降。性下降。 3 3、晶粒尺寸的影響晶粒尺寸的影響 細(xì)化晶?？商岣唔g性，降低細(xì)化晶粒可提高韌性，降低tk 。28 4 4、金相組織的影響金相組織的影響 在較低強(qiáng)度水平時(shí)在較低強(qiáng)度水平時(shí)，強(qiáng)度相等而組織不同的，強(qiáng)度相等而組織不同的鋼，以鋼，以S回回最好，最好，B回回火組織次之，片狀珠光體組織火組織次之，片

27、狀珠光體組織最差。最差。 較高強(qiáng)度水平時(shí)較高強(qiáng)度水平時(shí)，以，以B下下優(yōu)于同等強(qiáng)度的淬優(yōu)于同等強(qiáng)度的淬火回火組織?；鸹鼗鸾M織。 在相同強(qiáng)度水平下在相同強(qiáng)度水平下，B上上的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于于B下下。低碳鋼低溫。低碳鋼低溫B上上的韌性高于的韌性高于M回回。這是由于。這是由于低溫形成的低溫形成的B上上中滲碳體沿奧氏體晶界析出受到抑中滲碳體沿奧氏體晶界析出受到抑制，減少了晶界裂紋所致。制，減少了晶界裂紋所致。29 在低合金鋼中，經(jīng)不完全等溫處理獲得在低合金鋼中，經(jīng)不完全等溫處理獲得B和和M混合組織，其韌性比單一混合組織，其韌性比單一M或或B要好要好。這是由。這是由于于B先于先于M形成，事

28、先將奧氏體分成幾部分，隨形成，事先將奧氏體分成幾部分，隨后形成的后形成的M限制在較小范圍內(nèi)，獲得組織單元極限制在較小范圍內(nèi)，獲得組織單元極為細(xì)小的混合組織。裂紋在此種組織內(nèi)擴(kuò)展要多為細(xì)小的混合組織。裂紋在此種組織內(nèi)擴(kuò)展要多次改變方向，消耗的能量大，故鋼的韌性較高。次改變方向，消耗的能量大，故鋼的韌性較高。 在某些馬氏體鋼中存在奧氏體在某些馬氏體鋼中存在奧氏體，可改善鋼，可改善鋼的韌性，抑制解理斷裂。的韌性，抑制解理斷裂。30 二、外部因素的影響二、外部因素的影響 促使材料脆化的因素為溫度、形變速度、試促使材料脆化的因素為溫度、形變速度、試樣尺寸、應(yīng)力狀態(tài)等。樣尺寸、應(yīng)力狀態(tài)等。 1 1、形變速

29、度的影響形變速度的影響 提高變形速度有類似降溫的作用。但是在常提高變形速度有類似降溫的作用。但是在常用的沖擊速度范圍內(nèi)（用的沖擊速度范圍內(nèi)（46m/s），改變變形速），改變變形速度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響不大。度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響不大。31 2 2、試樣尺寸及取樣部位的影響試樣尺寸及取樣部位的影響 試樣尺寸增加，韌性下降，斷口中纖維區(qū)比試樣尺寸增加，韌性下降，斷口中纖維區(qū)比例減少，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。原因是：尺寸越大，例減少，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。原因是：尺寸越大，出現(xiàn)缺陷的幾率增加、缺口前沿三向拉應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)缺陷的幾率增加、缺口前沿三向拉應(yīng)力狀態(tài)加劇、平面應(yīng)變斷口比例增加，使脆斷抗力下降。加劇、平面應(yīng)變

30、斷口比例增加，使脆斷抗力下降。 取樣部位不同，其韌性值也不同。取樣部位不同，其韌性值也不同。 3 3、應(yīng)力狀態(tài)及缺口形式的影響應(yīng)力狀態(tài)及缺口形式的影響 應(yīng)力狀態(tài)越硬，缺口越尖銳，韌性越低，韌應(yīng)力狀態(tài)越硬，缺口越尖銳，韌性越低，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高。脆轉(zhuǎn)變溫度越高。32知識(shí)擴(kuò)充知識(shí)擴(kuò)充 泰坦尼克號(hào)（泰坦尼克號(hào)（TitanicTitanic）中的力學(xué)知識(shí)）中的力學(xué)知識(shí) 1912年當(dāng)年最為豪華、號(hào)稱永不沉沒(méi)的泰坦尼克號(hào)年當(dāng)年最為豪華、號(hào)稱永不沉沒(méi)的泰坦尼克號(hào)（Titanic）首航沉沒(méi)于冰海，成了）首航沉沒(méi)于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。多年來(lái)，出版了不少回憶錄、小說(shuō)，演出

31、了不少戲劇、慘海難。多年來(lái)，出版了不少回憶錄、小說(shuō)，演出了不少戲劇、電影。電影。1985年以后，探險(xiǎn)家們數(shù)次深潛到年以后，探險(xiǎn)家們數(shù)次深潛到12,612英尺深的海底英尺深的海底研究沉船，起出遺物。研究沉船，起出遺物。1995年年2月美國(guó)月美國(guó)科學(xué)大眾科學(xué)大眾（Popular Science）雜志發(fā)表了）雜志發(fā)表了R Gannon 的文章，標(biāo)題是的文章，標(biāo)題是What Really Sank The Titanic,付標(biāo)題是付標(biāo)題是“為什么為什么不會(huì)不會(huì)沉沒(méi)的沉沒(méi)的船在撞上一個(gè)冰山后船在撞上一個(gè)冰山后3 3小時(shí)就沉沒(méi)了？小時(shí)就沉沒(méi)了？一項(xiàng)新的科學(xué)一項(xiàng)新的科學(xué)研究回答了研究回答了80年未解之謎年未解之謎“。作者出示了下圖兩個(gè)沖擊試驗(yàn)結(jié)。作者出示了下圖兩個(gè)沖擊試驗(yàn)結(jié)果。左面的試樣取自海底的果。左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，右面的是近代船用鋼板號(hào)，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于的沖擊試樣。由于早年的早年的Titanic Titanic 號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性所以，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。斷口。近代船用鋼板