第五章沖擊韌性

1、 許多機(jī)器零件在實(shí)際工作中要受到?jīng)_擊載荷的作用，如沖床、鍛錘等，沖擊載荷屬于動(dòng)態(tài)載荷，而且，溫度降低和加載速度提高都會(huì)增加材料的脆斷傾向。 本章主要討論沖擊載荷作用下材料的性能評定和冷脆傾向及其影響因素。第5章 沖擊韌性 5.1 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) v加載速度不同，變形速度也隨之變化。加載速度不同，變形速度也隨之變化。 dde加載狀態(tài)劃分v現(xiàn)代機(jī)械中，不同機(jī)件的應(yīng)變速率范圍： 106/s 106/sv靜載：靜載：應(yīng)變速率在 105/s范圍，金屬材料的力學(xué)性能變化不明顯；105/s 102/s（）； 102/s，金屬材料的力學(xué)性能變化明顯。必須考慮加載速

2、度對力學(xué)性能的影響。 .v在靜載下塑性變形可比較均勻地在各個(gè)晶粒中進(jìn)行。 例：超塑性變形。，原因在于彈性變形速度較快，是以聲速在介質(zhì)中傳播。因此，彈性變形可以及時(shí)響應(yīng)沖擊載荷。v應(yīng)變速率對金屬的彈性行為及彈性模量不會(huì)應(yīng)變速率對金屬的彈性行為及彈性模量不會(huì)產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響。變形速度對變形的影響變形速度對變形的影響變形速度對塑性變形的影響變形速度對塑性變形的影響v變形速度變形速度對有顯著影響。 v當(dāng)加載速度提高時(shí)，塑性變形充分進(jìn)行。v在沖擊載荷沖擊載荷下，塑性變形塑性變形比較集中集中在某些局部區(qū)域，從而會(huì)導(dǎo)致塑性變形極不塑性變形極不均勻均勻。塑性變形極不均勻，必然限制塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致變形抗力

3、變形抗力（主要是屈服強(qiáng)度）提高。 變形速度對斷裂的影響變形速度對斷裂的影響v變形速度增加時(shí)，斷裂過程的變化比較復(fù)雜，塑性的變化與斷裂方式有關(guān)：v對于低塑性材料對于低塑性材料，變形速度對斷裂抗力影響不大，但塑性、韌性明顯下降，從而使脆性斷裂傾向增加，材料會(huì)正斷斷裂；v對高塑性材料對高塑性材料，變形速度增加會(huì)顯著提高斷裂抗力，而塑性、韌性變化不大，有時(shí)會(huì)有所增加，使斷裂方式仍保持切斷方式。v因此，。沖擊拉伸與靜拉伸的Fl對比5.2 沖擊試驗(yàn)和沖擊韌性沖擊試驗(yàn)和沖擊韌性缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)原理試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。將試樣水平放在試驗(yàn)機(jī)支行。將試樣水平放在試驗(yàn)機(jī)支座上

4、，缺口位于沖擊相背方向。座上，缺口位于沖擊相背方向。試驗(yàn)時(shí)，將具有一定質(zhì)量的擺試驗(yàn)時(shí)，將具有一定質(zhì)量的擺錘抬起至一定高度錘抬起至一定高度H1，使其，使其獲得一定的勢能，然后將擺錘獲得一定的勢能，然后將擺錘放下，在擺錘下落至最低位置放下，在擺錘下落至最低位置處將試樣沖斷，之后處將試樣沖斷，之后 擺錘升擺錘升值高度值高度H2。擺錘在沖斷試樣。擺錘在沖斷試樣時(shí)所做的功稱為沖擊吸收功：時(shí)所做的功稱為沖擊吸收功：)(21HHGAK 沖擊吸收功沖擊吸收功 Ak 除以缺口底部凈橫截面積除以缺口底部凈橫截面積 SN：/KKNAS2/Jcm v若若彈性功所占比例很大彈性功所占比例很大，塑性功比例很小，塑性功比例

5、很小，撕裂功幾乎為零，則表明材料斷裂前塑性撕裂功幾乎為零，則表明材料斷裂前塑性變形小，裂紋一旦形成便立即擴(kuò)展直至斷變形小，裂紋一旦形成便立即擴(kuò)展直至斷裂，斷口必然呈裂，斷口必然呈甚至甚至的的。v若若塑性功占比例很大塑性功占比例很大，裂紋擴(kuò)展的撕裂功，裂紋擴(kuò)展的撕裂功也大，則斷口則是以呈也大，則斷口則是以呈為主的為主的。v因此，因此，Ak值的大小并不能直接反映材料的值的大小并不能直接反映材料的韌或脆的性質(zhì)，只有其中的韌或脆的性質(zhì)，只有其中的，特別，特別是是的大小才顯示材料的的大小才顯示材料的韌性本質(zhì)韌性本質(zhì)。 沖擊實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用沖擊實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用 脆化現(xiàn)象脆化現(xiàn)象v重結(jié)晶脆性是在A1 A3溫度區(qū)間，鋼中

6、為+二相混合組織，沖擊值降低的現(xiàn)象。 5.3 低溫脆性和冷脆轉(zhuǎn)變溫度低溫脆性和冷脆轉(zhuǎn)變溫度 一、低溫脆性現(xiàn)象（冷脆轉(zhuǎn)變）一、低溫脆性現(xiàn)象（冷脆轉(zhuǎn)變）不同材料的冷脆傾向不同材料的冷脆傾向 v對中、低強(qiáng)度的面心立方金屬材料，其對中、低強(qiáng)度的面心立方金屬材料，其沖擊值沖擊值在很寬的工程應(yīng)用溫度范圍內(nèi)都很高在很寬的工程應(yīng)用溫度范圍內(nèi)都很高，可以不，可以不考慮低溫脆性和冷脆轉(zhuǎn)變問題；考慮低溫脆性和冷脆轉(zhuǎn)變問題；v對于高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)鋼、鈦合金等，在缺對于高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)鋼、鈦合金等，在缺口存在的所有溫度下，口存在的所有溫度下，通常都是脆性斷裂，沖通常都是脆性斷裂，沖擊值都很低，擊值都很低，因此冷脆現(xiàn)

7、象也不明顯；因此冷脆現(xiàn)象也不明顯；而而，即在某一溫度范圍內(nèi)，沖擊值對溫度十，即在某一溫度范圍內(nèi)，沖擊值對溫度十分敏感，因此對這類材料制造低溫服役的結(jié)構(gòu)分敏感，因此對這類材料制造低溫服役的結(jié)構(gòu)件時(shí)，必須考慮冷脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。件時(shí)，必須考慮冷脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。cv實(shí)際上，即使在解理斷裂中，裂紋形核實(shí)際上，即使在解理斷裂中，裂紋形核也是塑性變形的結(jié)果，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到也是塑性變形的結(jié)果，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到 c時(shí)（時(shí)（ c s）尚）尚無裂紋成核無裂紋成核，不滿足裂紋，不滿足裂紋失穩(wěn)的失穩(wěn)的充分條件充分條件。因此，只有當(dāng)應(yīng)力繼。因此，只有當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大到續(xù)增大到 s時(shí)，因塑性變形使時(shí)，因塑性變形使裂紋成核裂紋成

8、核和裂紋擴(kuò)展同時(shí)進(jìn)行和裂紋擴(kuò)展同時(shí)進(jìn)行，即斷裂強(qiáng)度與屈，即斷裂強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度重合，材料服強(qiáng)度重合，材料呈脆性斷裂呈脆性斷裂。 因此，因此，Tk稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。v實(shí)際情況下，冷脆轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范實(shí)際情況下，冷脆轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以圍內(nèi)進(jìn)行的，所以Tk只是這個(gè)范圍的某只是這個(gè)范圍的某種表征值。種表征值。二、冷脆轉(zhuǎn)變溫度的評定和影響因素二、冷脆轉(zhuǎn)變溫度的評定和影響因素 v冷脆轉(zhuǎn)變溫度是一個(gè)溫度范圍，但在材料冷脆轉(zhuǎn)變溫度是一個(gè)溫度范圍，但在材料冷脆敏感性評定和工程構(gòu)件的選材上都希冷脆敏感性評定和工程構(gòu)件的選材上都希望用單一的溫度值望用單一的溫度值Tk來表征。來表征。

9、v即使在同一材料的同一試樣即使在同一材料的同一試樣沖擊吸收功沖擊吸收功溫度曲線上溫度曲線上，由于定義不同，也會(huì)得到，由于定義不同，也會(huì)得到不同的不同的Tk值。值。缺口試樣沖擊吸收功缺口試樣沖擊吸收功Ak和解理斷口百分?jǐn)?shù)與溫度關(guān)系和解理斷口百分?jǐn)?shù)與溫度關(guān)系 斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度50% FATT：v定義對應(yīng)于定義對應(yīng)于50%（斷面占比）解（斷面占比）解理斷口的特征溫度，稱為斷口形理斷口的特征溫度，稱為斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度，即貌轉(zhuǎn)變溫度，即50% FATT。（Fracture Appearance Transition Temperature）冷脆轉(zhuǎn)變的斷口（沖擊斷口）冷脆轉(zhuǎn)變的斷口（沖擊斷口） v缺口沖擊試樣的斷口也分為三個(gè)區(qū)：缺口沖擊試樣的斷口也分為三個(gè)區(qū)： 纖維區(qū)纖維區(qū)、放射區(qū)放射區(qū)和和剪切唇區(qū)。剪切唇區(qū)。各區(qū)的相對比例及分布各區(qū)的相對比例及分布視材料的塑性而定。通視材料的塑性而定。通常裂紋源位于缺口根部常裂紋源位于缺口根部（受拉應(yīng)力）的中段稍（受拉應(yīng)力）的中段稍離表面處。在受壓應(yīng)力離表面處。在受壓應(yīng)力區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率減小區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率減小而出現(xiàn)二次纖維區(qū)。而出現(xiàn)二次纖維區(qū)。v材料結(jié)構(gòu)的影響材料結(jié)構(gòu)的影響v合金成分的影響：鋼中的合金成分的影響：鋼中的 C、P、O、H、N、Mo、Al、Si都使都使Tk上升；上升；Ni、Mn、Ti、V都使都使