材料性能學(xué)-第3章

1、1材料性能學(xué)材料性能學(xué)2第三章第三章 材料的沖擊韌性材料的沖擊韌性及低溫脆性及低溫脆性3.1 3.1 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3.2 3.2 材料的低溫脆性材料的低溫脆性33.1 3.1 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3.1.1 前言前言 高速作用于物體上的載荷稱(chēng)為高速作用于物體上的載荷稱(chēng)為沖擊載荷沖擊載荷。 許多機(jī)器零件在服役時(shí)往往受沖擊載荷的作用許多機(jī)器零件在服役時(shí)往往受沖擊載荷的作用，如，如飛機(jī)起落、內(nèi)燃機(jī)膨脹沖程中氣體爆炸推動(dòng)活塞和連飛機(jī)起落、內(nèi)燃機(jī)膨脹沖程中氣體爆炸推動(dòng)活塞和連桿使活塞和連桿間發(fā)生沖擊，及金屬件的沖壓和鍛造桿使活塞和連

2、桿間發(fā)生沖擊，及金屬件的沖壓和鍛造加工等。加工等。 生產(chǎn)上用沖擊載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)靜載荷難以實(shí)現(xiàn)的效果生產(chǎn)上用沖擊載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)靜載荷難以實(shí)現(xiàn)的效果，如鑿巖機(jī)如鑿巖機(jī)(68m/s)、穿甲彈、穿甲彈(1.52.0km/s)等。等。 因此需要評(píng)定材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為。因此需要評(píng)定材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為。43.1.2 加載速率與應(yīng)變速率加載速率與應(yīng)變速率 加載加載速率速率是指載荷施加于試樣或機(jī)件時(shí)的速率，是指載荷施加于試樣或機(jī)件時(shí)的速率，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。變形速率變形速率是單是單位時(shí)間內(nèi)的變形量。位時(shí)間內(nèi)的變形量。變形速率有兩種表示方法：變形速率有

3、兩種表示方法：n 變形速率變形速率：式中，式中，l是試樣長(zhǎng)度，是試樣長(zhǎng)度，t是時(shí)間。是時(shí)間。n 單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量，稱(chēng)為單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量，稱(chēng)為應(yīng)變速率應(yīng)變速率，用，用 表示：表示： 式中，式中，為試樣的真應(yīng)變。為試樣的真應(yīng)變。 (3 1)dlvdt & (32)ddlvdtldtl&5 靜拉伸試驗(yàn)靜拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變率為的應(yīng)變率為10-510-2 s-1，沖擊試沖擊試驗(yàn)驗(yàn)的應(yīng)變率為的應(yīng)變率為102104 s-1。此外，還有應(yīng)變率。此外，還有應(yīng)變率處于處于10-2102 s-1的的中等應(yīng)變速率中等應(yīng)變速率試驗(yàn)，如落錘、試驗(yàn)，如落錘、旋轉(zhuǎn)飛輪等。旋轉(zhuǎn)飛輪等。 當(dāng)應(yīng)變率大于當(dāng)應(yīng)

4、變率大于10-2 s-1時(shí)，材料的時(shí)，材料的力學(xué)性能將力學(xué)性能將發(fā)生顯著變化。發(fā)生顯著變化。63.1.3 沖擊載荷的能量性質(zhì)沖擊載荷的能量性質(zhì) 在沖擊載荷下，由于它本身是沖擊功，必須測(cè)在沖擊載荷下，由于它本身是沖擊功，必須測(cè)量載荷作用的時(shí)間及載荷在作用瞬間的速度變化量載荷作用的時(shí)間及載荷在作用瞬間的速度變化情況，才能按公式情況，才能按公式 計(jì)算出作用力計(jì)算出作用力F，這些數(shù)據(jù)是很難準(zhǔn)確測(cè)量的，這些數(shù)據(jù)是很難準(zhǔn)確測(cè)量的，并且在作用時(shí)間內(nèi)，并且在作用時(shí)間內(nèi)，F(xiàn) 是一個(gè)變力。是一個(gè)變力。 因此，因此，總是把沖擊載荷作為總是把沖擊載荷作為能量能量而不是作為而不是作為力力來(lái)處理，故來(lái)處理，故沖擊載荷具有

5、能量的性質(zhì)沖擊載荷具有能量的性質(zhì)。21() F tm vv73.1.4 沖擊載荷下材料變形與斷裂的特點(diǎn)沖擊載荷下材料變形與斷裂的特點(diǎn) 在沖擊載荷作用下，零件的變形與破壞過(guò)程與靜在沖擊載荷作用下，零件的變形與破壞過(guò)程與靜載荷一樣，載荷一樣， 仍分為仍分為彈性變形、塑性變形和斷裂彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)三個(gè)階段。所不同的只是階段。所不同的只是由于加載速度的不同，對(duì)這三由于加載速度的不同，對(duì)這三個(gè)階段產(chǎn)生了不同的影響。個(gè)階段產(chǎn)生了不同的影響。n 應(yīng)變速率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量沒(méi)有應(yīng)變速率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量沒(méi)有影響影響 彈性變形是以彈性變形是以聲速聲速在介質(zhì)中傳播的在介質(zhì)中傳播

6、的（如在鋼中為（如在鋼中為4982m/s），而普通沖擊試驗(yàn)時(shí)變形速度只有），而普通沖擊試驗(yàn)時(shí)變形速度只有5 5.5m/s，高速?zèng)_擊試驗(yàn)的變形速度也在，高速?zèng)_擊試驗(yàn)的變形速度也在103m /s以下。以下。8n 對(duì)塑性變形，隨加載速度的增加，塑性形變來(lái)對(duì)塑性變形，隨加載速度的增加，塑性形變來(lái)不及充分進(jìn)行，這就表現(xiàn)為不及充分進(jìn)行，這就表現(xiàn)為彈性極限、屈服強(qiáng)度彈性極限、屈服強(qiáng)度等等微量塑性變形抗力的提高。微量塑性變形抗力的提高。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)同時(shí)還發(fā)現(xiàn)塑性變塑性變形是極不均勻的。形是極不均勻的。n 沖擊載荷對(duì)塑性和韌性的影響比較復(fù)雜，當(dāng)材沖擊載荷對(duì)塑性和韌性的影響比較復(fù)雜，當(dāng)材料在料在沖擊載荷沖擊載荷下，

7、下，材料以材料以正斷正斷方式斷裂時(shí)，方式斷裂時(shí)，塑性塑性和韌性顯著下降和韌性顯著下降；而以；而以切斷切斷方式斷裂時(shí)，方式斷裂時(shí)，塑性和塑性和韌性變化不大，有時(shí)還會(huì)有所增加韌性變化不大，有時(shí)還會(huì)有所增加。93.1.5 缺口試樣的沖擊試驗(yàn)和沖擊韌性缺口試樣的沖擊試驗(yàn)和沖擊韌性 沖擊韌性沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形塑性變形功功和和斷裂功斷裂功的能力。的能力。常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功沖擊吸收功AK 表示。表示。 用于沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣常為用于沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣常為10mm10mm 55mm的的U型或型或V型型缺口缺口試樣試樣，分別稱(chēng)為，分別稱(chēng)為

8、夏比夏比(Charpy)U型缺口試樣和夏比型缺口試樣和夏比V型缺口試樣型缺口試樣。習(xí)慣。習(xí)慣上前者又簡(jiǎn)稱(chēng)為上前者又簡(jiǎn)稱(chēng)為梅氏試樣梅氏試樣，后者為，后者為夏氏試樣夏氏試樣。 另外，對(duì)陶瓷、鑄鐵或工具鋼等另外，對(duì)陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料脆性材料，沖擊試沖擊試驗(yàn)常采用無(wú)缺口試樣驗(yàn)常采用無(wú)缺口試樣。10 試樣開(kāi)缺口的目的試樣開(kāi)缺口的目的是為了使試樣在承受沖擊時(shí)在是為了使試樣在承受沖擊時(shí)在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附近不大的體積范圍內(nèi)，并保證試樣一次就被沖斷且近不大的體積范圍內(nèi)，并保證試樣一次就被沖斷且使斷裂就發(fā)生在缺口處。使斷裂就發(fā)生在缺

9、口處。缺口愈深、愈尖銳，沖擊缺口愈深、愈尖銳，沖擊吸收功愈低，材料的脆化傾向愈嚴(yán)重。吸收功愈低，材料的脆化傾向愈嚴(yán)重。圖圖3-1 3-1 沖擊試樣的安放沖擊試樣的安放11圖圖3-2 3-2 沖擊試驗(yàn)的原理圖沖擊試驗(yàn)的原理圖n 沖擊吸收功沖擊吸收功 n 沖擊韌度沖擊韌度 用試樣缺口處的截面用試樣缺口處的截面積積SN(cm2)去除去除AKV (AKU)，即可得到試樣，即可得到試樣的的沖擊韌度或沖擊值沖擊韌度或沖擊值KV (KU )。KVKU12() = mgHmgH (33)AAKVKUKVKUN() ()= (34)AAS12 KV (KU)是一個(gè)是一個(gè)綜合性綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，的力學(xué)性能指標(biāo)

10、，不不僅與材料的僅與材料的強(qiáng)度強(qiáng)度和和塑性塑性有關(guān)，試樣的有關(guān)，試樣的形狀形狀、尺寸尺寸、缺口形式缺口形式等都會(huì)對(duì)等都會(huì)對(duì)K值產(chǎn)生很大的影響值產(chǎn)生很大的影響。 因此，因此，K只是材料抗沖擊斷裂的一個(gè)參考性指只是材料抗沖擊斷裂的一個(gè)參考性指標(biāo)，標(biāo)，只能在規(guī)定條件下進(jìn)行相對(duì)比較，而不能代只能在規(guī)定條件下進(jìn)行相對(duì)比較，而不能代換到具體零件上進(jìn)行定量計(jì)算換到具體零件上進(jìn)行定量計(jì)算，單位為，單位為J/cm2。133.1.6 沖擊試樣斷裂過(guò)程分析沖擊試樣斷裂過(guò)程分析 在沖擊試驗(yàn)所得到的在沖擊試驗(yàn)所得到的沖擊功沖擊功AKU 和和AKV 中，包中，包括試樣在沖擊斷裂過(guò)程中吸收的括試樣在沖擊斷裂過(guò)程中吸收的彈性

11、變形功、塑彈性變形功、塑性變形功性變形功和和裂紋形成及擴(kuò)展功裂紋形成及擴(kuò)展功等。簡(jiǎn)單的沖擊試等。簡(jiǎn)單的沖擊試驗(yàn)不能將這些不同階段消耗的功區(qū)分開(kāi)來(lái)，驗(yàn)不能將這些不同階段消耗的功區(qū)分開(kāi)來(lái)， 因此，因此，沖擊功只能是一種混合的韌性指標(biāo)，在沖擊功只能是一種混合的韌性指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中不能定量使用。設(shè)計(jì)中不能定量使用。14圖圖3-3 3-3 缺口沖擊試樣的載荷缺口沖擊試樣的載荷撓度曲線撓度曲線 按照斷裂過(guò)程的特點(diǎn)，按照斷裂過(guò)程的特點(diǎn)，可將試樣的可將試樣的沖擊功沖擊功分為分為彈彈性變形功性變形功Ae ，塑性變形、塑性變形、形變強(qiáng)化以及裂紋形成等形變強(qiáng)化以及裂紋形成等過(guò)程吸收的功過(guò)程吸收的功AP，裂紋擴(kuò)裂紋擴(kuò)展

12、功展功Ad。 材料不同、試樣形狀不材料不同、試樣形狀不同，載荷變形曲線中沖擊同，載荷變形曲線中沖擊功各部分所占的比例也不功各部分所占的比例也不同，其物理意義相差很大。同，其物理意義相差很大。15圖圖3-4 3-4 三種典型的沖擊載荷三種典型的沖擊載荷位移曲線位移曲線 相同沖擊值的不同材料，其沖擊值的物理意義可以相相同沖擊值的不同材料，其沖擊值的物理意義可以相差很大。差很大。強(qiáng)度高強(qiáng)度高、塑性低塑性低、無(wú)裂紋擴(kuò)展功無(wú)裂紋擴(kuò)展功，說(shuō)明，說(shuō)明裂裂紋難以形成，但卻極易紋難以形成，但卻極易失穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展。強(qiáng)度較高強(qiáng)度較高，裂紋難裂紋難以形成，且具有一定抗以形成，且具有一定抗裂紋擴(kuò)展能力裂紋擴(kuò)展能力。強(qiáng)

13、度低強(qiáng)度低并并具有較大抵御裂紋擴(kuò)展能力具有較大抵御裂紋擴(kuò)展能力。16表表3-1 3-1 缺口形式對(duì)某低合金鋼沖擊功的影響缺口形式對(duì)某低合金鋼沖擊功的影響缺口形式缺口形式U型缺口型缺口V型缺口型缺口預(yù)制裂紋預(yù)制裂紋沖擊韌度，沖擊韌度，J/cm2682810 缺口的形式對(duì)沖擊功的數(shù)值有很大影響。缺口的形式對(duì)沖擊功的數(shù)值有很大影響。缺口越缺口越尖銳，試樣的沖擊功越小。尖銳，試樣的沖擊功越小。 因此，進(jìn)行缺口試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)材料的韌性情況，因此，進(jìn)行缺口試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)材料的韌性情況，選擇合適的缺口。選擇合適的缺口。韌性很高的材料，應(yīng)選尖銳的缺韌性很高的材料，應(yīng)選尖銳的缺口試樣；低韌性材料，應(yīng)選用鈍缺口試樣，

14、甚至不口試樣；低韌性材料，應(yīng)選用鈍缺口試樣，甚至不開(kāi)缺口。開(kāi)缺口。 173.1.7 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用 s、b、和和Ak 被稱(chēng)為材料常規(guī)力學(xué)性能被稱(chēng)為材料常規(guī)力學(xué)性能的五大力學(xué)性能指標(biāo)的五大力學(xué)性能指標(biāo)。缺口沖擊彎曲試驗(yàn)主要用缺口沖擊彎曲試驗(yàn)主要用于揭示材料的變脆傾向：于揭示材料的變脆傾向：n 用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接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。及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。n 根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)(低溫沖擊試驗(yàn)低溫沖擊試驗(yàn))評(píng)定材料的評(píng)定材料的冷脆傾向，冷脆傾向， 供選材時(shí)參考或用于抗脆斷設(shè)計(jì)。供選材時(shí)參考或用于抗脆

15、斷設(shè)計(jì)。18n 對(duì)于對(duì)于s大致相同的材料，用大致相同的材料，用AKV (AKU)可以評(píng)可以評(píng)定材料對(duì)大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感定材料對(duì)大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。性。n 利用利用Charpy V缺口沖擊試驗(yàn)試樣尺寸小、加缺口沖擊試驗(yàn)試樣尺寸小、加工方便、操作容易、試驗(yàn)快捷等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)建立工方便、操作容易、試驗(yàn)快捷等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)建立沖擊功與其他力學(xué)性能指標(biāo)間的聯(lián)系，代替較復(fù)沖擊功與其他力學(xué)性能指標(biāo)間的聯(lián)系，代替較復(fù)雜的試驗(yàn)如平面應(yīng)變斷裂韌性雜的試驗(yàn)如平面應(yīng)變斷裂韌性KIC。193.2 3.2 材料的低溫脆性材料的低溫脆性 寒冷地帶、野外作業(yè)的機(jī)械常發(fā)生低溫脆斷事故，寒冷地帶、野外

16、作業(yè)的機(jī)械常發(fā)生低溫脆斷事故， 約為總事故的約為總事故的3040%。3.2.1 低溫脆性現(xiàn)象低溫脆性現(xiàn)象 材料因溫度的降低由材料因溫度的降低由韌性斷裂韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔汛嘈詳嗔?，沖沖擊吸收功明顯下降擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由，斷裂機(jī)理由微孔聚集型微孔聚集型變?yōu)樽優(yōu)榇┚Т┚Ы饫斫饫?，斷口特征由，斷口特征由纖維狀纖維狀變?yōu)樽優(yōu)榻Y(jié)晶狀結(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱(chēng)為的現(xiàn)象，稱(chēng)為低低溫脆性溫脆性或或冷脆冷脆。轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度tK稱(chēng)為稱(chēng)為韌脆或冷脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆或冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 低溫脆性對(duì)壓力容器、橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫低溫脆性對(duì)壓力容器、橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫下服役的機(jī)件是非常重要的。下服役的機(jī)件是非

17、常重要的。20n材料的冷脆可歸為三種類(lèi)型材料的冷脆可歸為三種類(lèi)型fcc金屬及其合金金屬及其合金，沖擊韌性很高沖擊韌性很高；溫度降低時(shí)沖擊韌性的變化不大，溫度降低時(shí)沖擊韌性的變化不大，不會(huì)導(dǎo)致脆性破壞；可認(rèn)為不會(huì)導(dǎo)致脆性破壞；可認(rèn)為無(wú)低溫?zé)o低溫脆性現(xiàn)象脆性現(xiàn)象。高強(qiáng)度高強(qiáng)度bcc合金合金，室溫下的，室溫下的沖擊沖擊韌性韌性就就很低很低，當(dāng)材料內(nèi)有裂紋存在，當(dāng)材料內(nèi)有裂紋存在時(shí)，可在任何溫度和應(yīng)變速率發(fā)生時(shí)，可在任何溫度和應(yīng)變速率發(fā)生脆性破壞；即材料較脆，脆性破壞；即材料較脆，韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象也不明顯現(xiàn)象也不明顯。低、中強(qiáng)度低、中強(qiáng)度bcc金屬以及金屬以及Be、Zn等合金等合金，沖擊韌性對(duì)溫度

18、很敏感沖擊韌性對(duì)溫度很敏感，稱(chēng)為稱(chēng)為冷脆材料冷脆材料。圖圖3-5 33-5 3類(lèi)不同冷脆傾向的材料類(lèi)不同冷脆傾向的材料213.2.2 低溫脆性的本質(zhì)低溫脆性的本質(zhì) 低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度下降急劇增加的結(jié)果。溫度下降急劇增加的結(jié)果。材材料的料的s隨溫度下降升高較快，隨溫度下降升高較快，但其但其f卻隨溫度的變化較小，卻隨溫度的變化較小，因?yàn)橐驗(yàn)闊峒せ顚?duì)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)熱激活對(duì)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)條件沒(méi)有顯著作用條件沒(méi)有顯著作用。 s和和f兩條曲線相交于一點(diǎn)，兩條曲線相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為tk。 當(dāng)溫度大于當(dāng)溫度大于tk時(shí)，時(shí)，fs，材料受載后先屈服再

19、斷裂，材料受載后先屈服再斷裂，為為韌性斷裂韌性斷裂；當(dāng)溫度低于；當(dāng)溫度低于tk時(shí)，應(yīng)力先達(dá)到斷裂強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力先達(dá)到斷裂強(qiáng)度f(wàn)，材料表現(xiàn)為材料表現(xiàn)為脆性斷裂脆性斷裂。圖圖3-6 3-6 s和和f隨溫度變化的示意圖隨溫度變化的示意圖22圖圖3-7 3-7 缺口對(duì)冷脆轉(zhuǎn)變溫度的影響缺口對(duì)冷脆轉(zhuǎn)變溫度的影響 缺口對(duì)材料冷脆轉(zhuǎn)變溫缺口對(duì)材料冷脆轉(zhuǎn)變溫度有影響。度有影響。缺口的存在使缺口的存在使s增大到增大到sn，因此其脆，因此其脆性轉(zhuǎn)變溫度從性轉(zhuǎn)變溫度從tk升到升到tk。 T在在tktk，光滑試樣為，光滑試樣為韌性斷裂，缺口試樣為脆韌性斷裂，缺口試樣為脆斷。斷。兩個(gè)溫度的差值表現(xiàn)兩個(gè)溫度的差值表現(xiàn)為缺口

20、對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的為缺口對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響，影響，缺口約尖銳，差值缺口約尖銳，差值越大。越大。233.2.3 低溫脆性的評(píng)定低溫脆性的評(píng)定 溫度、應(yīng)力溫度、應(yīng)力(包括殘余應(yīng)力包括殘余應(yīng)力)和和應(yīng)力集中應(yīng)力集中是造成是造成低溫、低應(yīng)力脆斷低溫、低應(yīng)力脆斷的條件。的條件。 對(duì)于不同服役條件下的工程結(jié)構(gòu)或機(jī)器零件，對(duì)于不同服役條件下的工程結(jié)構(gòu)或機(jī)器零件，應(yīng)有不同的指標(biāo)作為低溫脆性判據(jù)。應(yīng)有不同的指標(biāo)作為低溫脆性判據(jù)。24圖圖3-8 3-8 2020鋼和鋼和15MnMoVNRe15MnMoVNRe鋼在不同溫度下的鋼在不同溫度下的F Fll曲線曲線n 低溫拉伸試驗(yàn)低溫拉伸試驗(yàn) 在在光滑試樣光滑試樣的拉伸

21、試驗(yàn)中，只有在很低的溫度下才出的拉伸試驗(yàn)中，只有在很低的溫度下才出現(xiàn)現(xiàn)fs ，韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為，韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為196(20鋼鋼)、 200以下以下(15MnMoVNRe鋼鋼)。 光滑拉伸試樣的塑性指標(biāo)不能反映材料的低溫脆性。光滑拉伸試樣的塑性指標(biāo)不能反映材料的低溫脆性。25n 低溫沖擊試驗(yàn)及冷脆轉(zhuǎn)變溫度的確定低溫沖擊試驗(yàn)及冷脆轉(zhuǎn)變溫度的確定 低溫缺口沖擊韌性試驗(yàn)運(yùn)用了低溫缺口沖擊韌性試驗(yàn)運(yùn)用了缺口、低溫缺口、低溫及及高應(yīng)變高應(yīng)變速率速率三個(gè)因素對(duì)材料脆化的影響，使其由三個(gè)因素對(duì)材料脆化的影響，使其由韌性狀態(tài)韌性狀態(tài)變變?yōu)闉榇嘈誀顟B(tài)脆性狀態(tài)。 在三個(gè)因素中，在三個(gè)因素中，缺口造成的脆化是主

22、要的缺口造成的脆化是主要的；如不用；如不用缺口試樣而用光滑試樣，即使降至很低溫度，也難使缺口試樣而用光滑試樣，即使降至很低溫度，也難使低中強(qiáng)度鋼產(chǎn)生脆斷。同樣，由沖擊造成的低中強(qiáng)度鋼產(chǎn)生脆斷。同樣，由沖擊造成的高應(yīng)變速高應(yīng)變速率率也有限，只有在有缺口的前提下促進(jìn)材料的脆化。也有限，只有在有缺口的前提下促進(jìn)材料的脆化。系列溫度沖擊試驗(yàn)系列溫度沖擊試驗(yàn) 采用標(biāo)準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)CharpyV沖擊試樣，從沖擊試樣，從高溫高溫(通常為室溫通常為室溫)到低溫到低溫進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)，以測(cè)定沖擊功隨溫度變化的進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)，以測(cè)定沖擊功隨溫度變化的規(guī)律，揭示材料的低溫脆性?xún)A向。規(guī)律，揭示材料的低溫脆性?xún)A向。26圖

23、圖3-9 3-9 沖擊吸收功和斷口沖擊吸收功和斷口形貌與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線形貌與試驗(yàn)溫度的關(guān)系曲線 在溫度較高時(shí)，在溫度較高時(shí)，沖擊功較高，沖擊功較高，有一上平臺(tái)，稱(chēng)為有一上平臺(tái)，稱(chēng)為高階能高階能，該，該區(qū)間表現(xiàn)為區(qū)間表現(xiàn)為韌性斷裂韌性斷裂；在低溫在低溫下，下，沖擊功很低，表現(xiàn)為沖擊功很低，表現(xiàn)為脆性脆性解理斷裂解理斷裂，沖擊功的，沖擊功的下平臺(tái)稱(chēng)下平臺(tái)稱(chēng)為為低階能低階能；在低高階能之間，；在低高階能之間，有一很陡過(guò)渡區(qū)，其沖擊功變有一很陡過(guò)渡區(qū)，其沖擊功變化較大，數(shù)據(jù)較分散?；^大，數(shù)據(jù)較分散。 隨著溫度降低，沖擊功由高階能變?yōu)榈碗A能，材料由隨著溫度降低，沖擊功由高階能變?yōu)榈碗A能，材料由韌斷

24、過(guò)渡到脆斷。韌斷過(guò)渡到脆斷。斷口形式由斷口形式由纖維狀斷口纖維狀斷口經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)混合斷口混合斷口過(guò)渡為過(guò)渡為結(jié)晶狀斷口結(jié)晶狀斷口，斷裂性質(zhì)由，斷裂性質(zhì)由微孔聚集型斷裂微孔聚集型斷裂過(guò)渡為過(guò)渡為解理斷裂解理斷裂。27 冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定 能量準(zhǔn)則能量準(zhǔn)則 對(duì)應(yīng)于能量曲線的對(duì)應(yīng)于能量曲線的上平臺(tái)上平臺(tái)(高階能高階能)和和100%纖纖維狀斷裂維狀斷裂的的下限溫度下限溫度，稱(chēng)為，稱(chēng)為塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度FTP。 對(duì)應(yīng)于能量曲線的對(duì)應(yīng)于能量曲線的下平臺(tái)下平臺(tái)(低階能低階能)和和100%解解理斷裂理斷裂的的上限溫度上限溫度，稱(chēng)為，稱(chēng)為無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度N

25、DT。 與低階能和高階能的算術(shù)平均值對(duì)應(yīng)的溫度，稱(chēng)與低階能和高階能的算術(shù)平均值對(duì)應(yīng)的溫度，稱(chēng)為為韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度FTE或或FTT。 與某一固定的能量如與某一固定的能量如AKV=15ftlb(20.3J)對(duì)對(duì)應(yīng)的溫度，記為應(yīng)的溫度，記為V15TT 。28 取斷口上出現(xiàn)取斷口上出現(xiàn)50%纖維狀的韌性斷口和纖維狀的韌性斷口和50%結(jié)晶狀結(jié)晶狀態(tài)的脆性斷口時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為態(tài)的脆性斷口時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度50% FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 或或FATT50 。圖圖3-10 3-10 韌性材料的沖擊斷口

26、形貌韌性材料的沖擊斷口形貌 沖擊試樣斷口也有沖擊試樣斷口也有纖維纖維區(qū)、放射區(qū)、放射 (結(jié)晶結(jié)晶)區(qū)和剪切區(qū)和剪切唇唇。在不同試驗(yàn)溫度下，。在不同試驗(yàn)溫度下，三個(gè)區(qū)的相對(duì)面積是不同三個(gè)區(qū)的相對(duì)面積是不同的。的。溫度下降，纖維區(qū)面溫度下降，纖維區(qū)面積減少，結(jié)晶區(qū)面積增大，積減少，結(jié)晶區(qū)面積增大，材料材料由韌變脆由韌變脆。 斷口形貌準(zhǔn)則斷口形貌準(zhǔn)則29斷口變形特征準(zhǔn)則斷口變形特征準(zhǔn)則 試樣沖斷時(shí)，缺口根部收縮，背面膨脹。試樣沖斷時(shí)，缺口根部收縮，背面膨脹。 規(guī)定試樣表面相對(duì)收縮或膨脹為某一定值規(guī)定試樣表面相對(duì)收縮或膨脹為某一定值(1% 或或3.8%)或膨脹與收縮部分的邊長(zhǎng)差值為或膨脹與收縮部分的邊

27、長(zhǎng)差值為0.38 mm時(shí)的溫度，為時(shí)的溫度，為脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度。30 用不同準(zhǔn)則定義的脆性轉(zhuǎn)變溫度，由于不同準(zhǔn)則用不同準(zhǔn)則定義的脆性轉(zhuǎn)變溫度，由于不同準(zhǔn)則的物理意義不同，確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度也不一致，的物理意義不同，確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度也不一致，甚至相差很大。因此甚至相差很大。因此在評(píng)定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，在評(píng)定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度， 一定要注意按同一準(zhǔn)則的脆性轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行對(duì)比一定要注意按同一準(zhǔn)則的脆性轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行對(duì)比。表表3-2 3-2 實(shí)驗(yàn)用鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度實(shí)驗(yàn)用鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度()()31 脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度tK 反映了溫度對(duì)材料韌脆性的影響反映了溫度對(duì)材料韌脆性的影響，它與它與

28、、NSR一樣，也是安全性指標(biāo)。一樣，也是安全性指標(biāo)。tK是是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于材料的抗脆從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于材料的抗脆斷設(shè)計(jì)斷設(shè)計(jì)。圖圖3-11 3-11 按冷脆化溫度選材按冷脆化溫度選材( (選選B) B) 有兩種材料有兩種材料A和和B，在，在室溫以上室溫以上A的沖擊韌性高的沖擊韌性高于于B，但當(dāng)溫度降低時(shí)，但當(dāng)溫度降低時(shí)，A的沖擊韌性就急劇下降的沖擊韌性就急劇下降了，如了，如按冷脆轉(zhuǎn)化溫度按冷脆轉(zhuǎn)化溫度來(lái)選擇材料時(shí)應(yīng)選材料來(lái)選擇材料時(shí)應(yīng)選材料B。32n 落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖 落錘試驗(yàn)落錘試驗(yàn) 系列缺口沖擊試驗(yàn)確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度，并不系列

29、缺口沖擊試驗(yàn)確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度，并不能代表實(shí)物構(gòu)件的脆性轉(zhuǎn)變溫度，能代表實(shí)物構(gòu)件的脆性轉(zhuǎn)變溫度，缺口沖擊試驗(yàn)所缺口沖擊試驗(yàn)所確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度總是偏低。確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度總是偏低。 這主要是因?yàn)槿笨跊_擊試樣的尺寸小，其幾何這主要是因?yàn)槿笨跊_擊試樣的尺寸小，其幾何約束要比厚、寬的實(shí)物構(gòu)件小，由于變形的幾何約約束要比厚、寬的實(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。束小帶來(lái)的脆化程度也相應(yīng)地小一些。33圖圖3-12 3-12 夏比沖擊試樣和實(shí)物的韌脆轉(zhuǎn)化溫度夏比沖擊試樣和實(shí)物的韌脆轉(zhuǎn)化溫度 當(dāng)當(dāng)Charpy V試樣試樣的沖擊值還很高時(shí)，的沖擊值還很高時(shí)，實(shí)物的韌性就已經(jīng)很實(shí)物的

30、韌性就已經(jīng)很低了。低了。 因而，因而，用用Charpy V沖擊試樣所確定的沖擊試樣所確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度不是安脆性轉(zhuǎn)變溫度不是安全可靠的全可靠的。34 50年代初，美國(guó)海軍研究所派林尼年代初，美國(guó)海軍研究所派林尼(W S Pellini)等發(fā)展出等發(fā)展出落錘試驗(yàn)方法落錘試驗(yàn)方法，用于測(cè)定全厚鋼板的用于測(cè)定全厚鋼板的無(wú)塑性無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度NDT， 以作為評(píng)定材料的性能指標(biāo)。以作為評(píng)定材料的性能指標(biāo)。 試樣厚度與實(shí)際使用板厚相同，典型尺寸為試樣厚度與實(shí)際使用板厚相同，典型尺寸為25 90350(mm)、1950125(mm)或或16 50125(mm)。 因試樣較大，試驗(yàn)時(shí)需要較大沖擊能量，故

31、不能再因試樣較大，試驗(yàn)時(shí)需要較大沖擊能量，故不能再用一般的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，而必須用用一般的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，而必須用落錘試驗(yàn)機(jī)落錘試驗(yàn)機(jī)。35圖圖3-13 3-13 落錘試驗(yàn)示意圖落錘試驗(yàn)示意圖 在試樣寬度的中點(diǎn)沿長(zhǎng)度方向堆焊一層脆性合金，焊塊在試樣寬度的中點(diǎn)沿長(zhǎng)度方向堆焊一層脆性合金，焊塊中用薄片砂輪或手鋸割開(kāi)一個(gè)缺口，其寬度小中用薄片砂輪或手鋸割開(kāi)一個(gè)缺口，其寬度小1.5mm，深度為焊塊厚度的一半，缺口方向與試驗(yàn)的拉力方向相垂深度為焊塊厚度的一半，缺口方向與試驗(yàn)的拉力方向相垂直，用以誘發(fā)裂紋。直，用以誘發(fā)裂紋。 落錘試驗(yàn)機(jī)由落錘試驗(yàn)機(jī)由垂直導(dǎo)軌垂直導(dǎo)軌(支承座支承座)、能自由落下的、能自

32、由落下的重錘重錘和和砧座砧座等組成。等組成。36 試驗(yàn)之前，將試樣在所選的低溫條件下保溫試驗(yàn)之前，將試樣在所選的低溫條件下保溫30 45min ，然后迅速將其移至支座上，使有焊肉的軋，然后迅速將其移至支座上，使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進(jìn)行打擊。制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進(jìn)行打擊。 根據(jù)試驗(yàn)溫度的不同，試板的力學(xué)行為按溫度由根據(jù)試驗(yàn)溫度的不同，試板的力學(xué)行為按溫度由高到低依次發(fā)生如下的變化：高到低依次發(fā)生如下的變化： 試板只發(fā)生塑性變形，不開(kāi)裂。試板只發(fā)生塑性變形，不開(kāi)裂。 試板拉伸面靠缺口附近出現(xiàn)裂紋，但裂紋只在缺試板拉伸面靠缺口附近出現(xiàn)裂紋，但裂紋只在缺口附近的塑性變

33、形區(qū)內(nèi)，未擴(kuò)展到兩側(cè)邊。口附近的塑性變形區(qū)內(nèi)，未擴(kuò)展到兩側(cè)邊。 裂紋發(fā)展到試板一側(cè)邊或兩側(cè)邊。裂紋發(fā)展到試板一側(cè)邊或兩側(cè)邊。 試件完全碎裂。試件完全碎裂。37 一般規(guī)定裂紋能擴(kuò)展到試板一側(cè)邊或橫貫板寬的一般規(guī)定裂紋能擴(kuò)展到試板一側(cè)邊或橫貫板寬的最高溫度為最高溫度為無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，用用NDT表示表示。NDT 的含義實(shí)際是當(dāng)?shù)暮x實(shí)際是當(dāng)TNDT時(shí)，鋼板碎裂。時(shí)，鋼板碎裂。TNDT 時(shí)，含有大裂紋的試板不會(huì)碎裂。時(shí)，含有大裂紋的試板不會(huì)碎裂。 因此，因此，可以把落錘試樣看做是大尺寸的可以把落錘試樣看做是大尺寸的Charpy試樣。試樣。38 斷裂分析圖斷裂分析圖(簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)FAD) 斷裂

34、分析圖已成功地?cái)嗔逊治鰣D已成功地用于低強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)用于低強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)的破損安全設(shè)計(jì)，根據(jù)的破損安全設(shè)計(jì)，根據(jù)工作應(yīng)力的大小選用不工作應(yīng)力的大小選用不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。斷裂分?jǐn)嗔逊治鰣D表示了析圖表示了應(yīng)力、缺陷應(yīng)力、缺陷和溫度和溫度三個(gè)參數(shù)之間的三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，只要確定了其中關(guān)系，只要確定了其中任意兩個(gè)參數(shù)，就可以任意兩個(gè)參數(shù)，就可以求出第三個(gè)參數(shù)。求出第三個(gè)參數(shù)。圖圖3-14 3-14 斷裂分析圖斷裂分析圖( (FADFAD) )39 要建立材料的要建立材料的FAD圖，就必須知道材料的圖，就必須知道材料的NDT，F(xiàn)TE和和FTP溫度。溫度。NDT可用落錘試驗(yàn)測(cè)出，可用落錘試驗(yàn)

35、測(cè)出，F(xiàn)TE和和FTP要通過(guò)爆炸鼓突試驗(yàn)測(cè)出，但在大量試驗(yàn)的基要通過(guò)爆炸鼓突試驗(yàn)測(cè)出，但在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TE和和FTP與與NDT之間有著較好的定量之間有著較好的定量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，因此可不必通過(guò)爆炸試驗(yàn)而只用落錘試經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，因此可不必通過(guò)爆炸試驗(yàn)而只用落錘試驗(yàn)測(cè)出驗(yàn)測(cè)出NDT后就可以作出完整的斷裂分析圖后就可以作出完整的斷裂分析圖。 403.2.4 低溫脆性的影響因素低溫脆性的影響因素n 材料因素材料因素 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 低、中強(qiáng)度的低、中強(qiáng)度的bcc金屬及其合金金屬及其合金(如鋼如鋼)，hcp金金屬中的屬中的Zn、Be及其合金及其合金，有冷脆現(xiàn)象有冷脆現(xiàn)象。 高強(qiáng)度的高強(qiáng)度的

36、bcc金屬金屬，如高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼，由，如高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼，由于其在很寬的溫度范圍內(nèi)沖擊值均較低，于其在很寬的溫度范圍內(nèi)沖擊值均較低，冷脆轉(zhuǎn)變冷脆轉(zhuǎn)變不明顯不明顯。 fcc金屬金屬(如奧氏體鋼、如奧氏體鋼、Ni、Al、Cu銅等銅等)，一一般情況般情況下可認(rèn)為下可認(rèn)為無(wú)冷脆現(xiàn)象無(wú)冷脆現(xiàn)象。41 化學(xué)成分化學(xué)成分 在在bcc金屬金屬-Fe中加入能形成中加入能形成間隙固溶體間隙固溶體的元素的元素(如如碳、氮、氫等碳、氮、氫等)，使沖擊韌性減小，冷脆轉(zhuǎn)變溫度提高，使沖擊韌性減小，冷脆轉(zhuǎn)變溫度提高，且含量愈大影響愈甚。且含量愈大影響愈甚。 隨著鋼中含碳量的增加，隨著鋼中含碳量的增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度幾乎

37、呈線性冷脆轉(zhuǎn)化溫度幾乎呈線性地上升，且最大沖擊值也地上升，且最大沖擊值也急劇降低。鋼的含碳量每急劇降低。鋼的含碳量每增加增加0.1，冷脆轉(zhuǎn)化溫，冷脆轉(zhuǎn)化溫度升高約為度升高約為13.9。鋼鋼中含碳量的影響，主要?dú)w中含碳量的影響，主要?dú)w結(jié)為珠光體增加了鋼的脆結(jié)為珠光體增加了鋼的脆性性。 圖圖3-15 3-15 含碳量對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響42圖圖3-16 3-16 合金元素對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響合金元素對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響 -Fe中加入能形成中加入能形成置置換固溶體換固溶體的元素，一般也的元素，一般也不同程度地提高和擴(kuò)大其不同程度地提高和擴(kuò)大其冷脆轉(zhuǎn)變溫度和范

38、圍。冷脆轉(zhuǎn)變溫度和范圍。但但在在-Fe中加入中加入Ni和和Mn，能顯著地降低冷脆轉(zhuǎn)變溫能顯著地降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度并提高韌斷區(qū)的沖擊值度并提高韌斷區(qū)的沖擊值。 雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素S、P、Pb、Sn、As等，會(huì)降低鋼的韌性。等，會(huì)降低鋼的韌性。這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能， 產(chǎn)生沿晶產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時(shí)降低脆斷應(yīng)力所致。脆性斷裂，同時(shí)降低脆斷應(yīng)力所致。43 晶粒尺寸晶粒尺寸 細(xì)化晶粒能使材料的韌性增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降細(xì)化晶粒能使材料的韌性增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。低。圖圖3-17 3-17 晶粒尺寸與冷脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系晶粒尺寸與冷脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系44圖圖3-18 3-18 馬氏體板條束寬