第三章 金屬在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能

1、第三章 材料在沖擊(chngj)載荷下的力學(xué)性能共六十七頁第一節(jié) 沖擊(chngj)載荷下金屬變形和斷裂特點第二節(jié) 沖擊彎曲和沖擊韌性第三節(jié) 低溫脆性 第四節(jié) 影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素 共六十七頁本章的意義(yy)：生產(chǎn)中很多機件和工具受沖擊載荷作用，為了評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，就需要進行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗。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格關(guān)注的，因此需要進行系列沖擊試驗。 本章的內(nèi)容：介紹材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為和性能特點以及材料的低溫脆性。共六十七頁第一節(jié) 沖擊彎曲(wnq)試驗與沖擊韌性變形速率(sl)：=

2、 dl/dt， l是試樣長度，t是時間應(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。靜拉伸的應(yīng)變速率在10-510-2S-1,當應(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。共六十七頁沖擊載荷(zi h)下材料變形和斷裂的特點彈性變形階段：應(yīng)變速率對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行，且不均勻。表現(xiàn)為彈性極限(jxin)、屈服強度的提高。下屈服點低碳鋼共六十七頁應(yīng)變速率對鋁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(yngl)應(yīng)變曲線的影響共六十七頁沖擊載荷下塑性變形抗力提高的原因：位錯運動速率增加，使派納力增大，產(chǎn)生附加強化。迅速增加位錯密度(md)和滑

3、移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯運動自由行程的平均長度，增加點缺陷濃度。塑性變形集中在局部區(qū)域，較之靜載條件極不均勻。共六十七頁應(yīng)變速率提高，材料塑性(sxng)必定下降？材料(cilio)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。共六十七頁應(yīng)變速率(sl)對18Ni馬氏體時效鋼的強度和塑性的影響(a)屈服強度和抗拉強度 (b)斷面收縮率共六十七頁應(yīng)變(yngbin)速率對淬火回火35CrNiMoV鋼的強度和塑性的影響(a)屈服強度和抗拉強度 (b)延伸率和斷面收縮率共六十七頁二、沖擊彎曲試驗 (GB229-84,GB2106-80) 1 試驗特點：

4、 沖擊載荷 作用力在極短時間（微秒）內(nèi)有很大變化幅度，缺口試樣（有缺口效應(yīng)），低溫，都是致脆因素下測定試樣的沖擊功。 2 加載方式：利用擺錘的勢能(shnng)，如下圖所示，測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。 共六十七頁共六十七頁共六十七頁 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(bozhng)試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)生在缺口處。共六十七頁沖擊試樣尺寸及加工(ji gng)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。測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊(chngj)

5、功時常采用10mm10mm55mm的無缺口試樣。共六十七頁 4 試驗結(jié)果：試驗機直接得到(d do)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。 共六十七頁 注意： （1）KV和KU不能進行對比； （2）截面不同不可比； （3）試驗機不同不可比。 5 低溫的施加方法(fngf)：液氮酒精 （注意凍傷） 共六十七頁 沖擊功（沖擊彈性功塑性功撕裂 功）空氣阻力機身振動軸承與測量(cling) 機構(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，在設(shè)計中不能定量(dngling)使用。共六十七頁 表示材料韌度的性能指標共有三個

6、：沖擊韌度（第三章）、斷裂韌度（第四章）、靜力韌度（第一章）分別用來評價材料在沖擊載荷、有裂紋的情況下靜載荷、靜拉伸(l shn)載荷條件下材料的韌度。三、沖擊韌度的工程(gngchng)意義共六十七頁 靜力韌度材料在靜拉伸時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(min j)減去彈性能表示。數(shù)學(xué)表達式可通過真應(yīng)力應(yīng)變曲線求得 SK斷裂時的真應(yīng)力；eK斷裂時的真應(yīng)變共六十七頁 沖擊韌性的意義：沖擊(chngj)韌度（沖擊(chngj)值KV和KU）是一個綜合性的力學(xué)性能指標，與材料的強度和塑性有關(guān)?？蓹z驗材料的冶金質(zhì)量、冷脆傾向、缺口敏感性。 共六十七頁韌性

7、(rn xn)材料的沖擊試樣斷口裂紋源缺口沖擊(chngj)試樣的載荷撓度圖Ac：彈性變形功；Ap：塑性變形、變形強化和裂紋形成等過程吸收的功；Ad：裂紋擴展功PF共六十七頁三種典型(dinxng)的沖擊載荷位移曲線強度高、塑性低、無裂紋擴展功部分，說明(shumng)這種材料裂紋難以形成，但裂紋卻極易失穩(wěn)擴展強度較高，裂紋較難形成，且具有一定的抵抗裂紋擴展的能力強度低并具有較大的抵御裂紋擴展的能力共六十七頁四、多次沖擊實驗當沖擊次數(shù)N105時，屬典型的疲勞斷裂。35鋼的多沖曲線(qxin)沖擊能量高時，材料的多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時，材料的多沖抗力主要取決于強度共六十七頁四、

8、沖擊試驗的應(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、 評定材料的冷脆傾向(韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。3、 對于s大致相同的材料，可以評定材料對在沖擊載荷下破壞的缺口(quku)敏感性。4、 通過建立沖擊功和其他力學(xué)性能指標間的聯(lián)系，替代較復(fù)雜的實驗。共六十七頁第二節(jié) 低 溫 脆 性一、系列沖擊試驗(shyn)與低溫脆性 系列沖擊試驗將某一材料制成的沖擊試樣冷卻到不同的溫度測定沖擊功，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稱為系列沖擊試驗。共六十七頁 低溫脆性材料的強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)榇嘈詳嗔?，沖擊吸收功明

9、顯下降，斷裂機理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚Ы饫?ji l)，斷口特征從纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱為低溫脆性或冷脆。 共六十七頁 左面的試樣取自海底的Titanic號，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic 號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(dunku)。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。 共六十七頁共六十七頁 泰坦尼克號鋼板(gngbn)和現(xiàn)代鋼板(gngbn)的實際沖擊結(jié)果示于下圖。在2的海水中，泰坦尼克號鋼板縱、橫向試驗中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現(xiàn)代鋼板縱向試驗中吸收能為325焦耳，橫向試驗中吸收能為100焦耳。

10、共六十七頁上節(jié)回顧(hug)1、硬度實驗2、沖擊實驗3、低溫(dwn)脆性共六十七頁實驗中歸納有3種不同(b tn)的沖擊吸收功溫度關(guān)系曲線：如：銅、鋁如：淬火(cu hu)態(tài)高碳馬氏體鋼如：正火態(tài)20鋼共六十七頁第一類曲線顯示材料在很寬的實驗溫度范圍內(nèi)都是脆 性的，如淬火(cu hu)態(tài)的高碳馬氏體鋼等高強度鋼；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等在很低的實驗溫度下仍具有較高的韌性， 這類材料的屈服強度對溫度和應(yīng)變速率的變化 不敏感；共六十七頁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(mu xi)密排六 方金屬及其合金，及許多珠光

11、體鐵素體兩相 鋼。這類材料的屈服強度對溫度和應(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，也會發(fā)生(fshng)低溫脆性。共六十七頁產(chǎn)生低溫脆性的機理(j l)材料低溫脆性的產(chǎn)生與其屈服強度和斷裂強度隨溫度的變化有關(guān)。s、s和c隨溫度(wnd)變化示意圖s：體心立方金屬等材料的屈服強度s：面心立方金屬等材料的屈服強度c：材料的斷裂強度共六十七頁體心立方金屬及其合金(hjn)、某些密排六方金屬及其合金(hjn)，這類材料的屈服強度對溫度和應(yīng)變速率的變化十分敏感。溫度降低，屈服強度升高，當屈服強度高于斷

12、裂強度時，產(chǎn)生脆性斷裂。具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料如Cu、Al等的屈服強度隨溫度的降低不發(fā)生明顯的升高，屈服強度總是低于斷裂強度，所以冷脆傾向不明顯。共六十七頁 微觀上，體心立方晶體中的位錯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寬度(kund)比較大，位錯阻力對溫度變化較不敏感，故一般不顯示低溫脆性。 共六十七頁體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)。遲屈服即對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(xioho)能量，故有利于裂紋的擴展，從而易表現(xiàn)為脆性破

13、壞。共六十七頁缺口的存在會使材料的屈服強度提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度(wnd)提高。t1和t2之間的差值體現(xiàn)了缺口對脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響。缺口對韌脆轉(zhuǎn)變(zhunbin)溫度的影響缺口的存在對材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響共六十七頁二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 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：在進行設(shè)計(shj)時，了解這一溫度可以確定當使用溫度大于它時，脆性斷裂不會發(fā)生。共六十七頁1、低溫拉伸(l shn)試驗低溫缺口敏感度N來評定低溫脆性，并確定tk。缺口試樣低溫(dwn)抗拉強度光滑試樣低溫屈服強度N1時，為缺口試樣的tk

14、。共六十七頁評價(pngji)方法：能量法 2、低溫沖擊(chngj)試驗 (1)當?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，以低階能開始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。共六十七頁(2)高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成(xngchng)一個上平臺，稱為“高階能”。以高階能對應(yīng)的溫度為tk，記為FTP。共六十七頁(3)以低階能和高階能平均值對應(yīng)(duyng)的溫度定義，并記為FTE。共六十七頁 (4)與某一固定的能量(nngling)對應(yīng)的溫度。如以Akv15尺磅(20.3J)對應(yīng)的溫度定義，并記為V15TT 。低碳鋼船用鋼板(gngb

15、n)共六十七頁斷口形貌特征(tzhng)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應(yīng)的溫度。共六十七頁沖擊斷口(dunku)形貌示意圖共六十七頁第二節(jié) 低 溫 脆 性共六十七頁 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(quku)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得的tk，因為和實際結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，不能說明該材料制成的機件一定在該溫度下斷裂。共六十七頁兩種鋼材(gngci)的沖擊轉(zhuǎn)變曲線韌性溫度(wnd)儲備tt0-t

16、k（2060 ）t0為工作溫度共六十七頁3、落錘試驗(shyn) 缺口沖擊試驗雖然測量簡單方便，試驗成本也低，但其測量的韌脆轉(zhuǎn)化溫度(wnd)，在一般情況下并不能代表實物構(gòu)件的脆化溫度，缺口沖擊試驗所確定的脆化溫度總是偏低。這主要是因為缺口沖擊試樣尺寸小，其幾何約束要比厚的實物構(gòu)件小，由于變形的幾何約束小帶來的脆化程度也相應(yīng)地小一些。 共六十七頁試驗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，用落錘對其沖擊 。錘的沖擊能量是根據(jù)板材厚度和材料的屈服強度這兩個參數(shù)(cnsh)決定的。 落錘試驗(shyn)示意圖焊堆長寬厚64154mm共六十七頁根據(jù)試驗溫度的高低，試樣發(fā)

17、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，但未擴展到兩側(cè)邊；3、裂紋擴展到試樣的一側(cè)邊或兩側(cè)邊；4、試樣完全碎裂。 這個溫度叫做無塑性(sxng)轉(zhuǎn)變溫度簡稱NDT，是產(chǎn)生無塑性破壞的最高溫度 。如試驗溫度低于NDT，則裂紋就可自拉伸面橫穿板的寬度直至邊緣。共六十七頁斷裂(dun li)分析圖（FAD） 斷裂分析(fnx)圖表示了應(yīng)力、缺陷和溫度三個參數(shù)之間的關(guān)系，只要確定了其中任意兩個參數(shù)，就可以求出第三個參數(shù)。 共六十七頁三、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

18、，鋼 的韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高；雜質(zhì)元素 含量增加，容易(rngy)偏聚在晶界附 近，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。 共六十七頁共六十七頁3 晶粒大小 tk=lnB-lnC-lnd-1/2 、B、C為常數(shù)， 與i有關(guān)，C為裂紋擴展阻力(zl)的度量； d：晶粒直徑。原因：晶粒減小，晶界前塞積的位錯數(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；晶界是裂紋擴展的阻力。共六十七頁鐵素體晶粒尺寸對韌脆轉(zhuǎn)變溫度(wnd)的影響共六十七頁上節(jié)回顧(hug)1、低溫脆性2、韌脆轉(zhuǎn)變(zhunbin)溫度及其表征方法3、影響材料低溫脆性的因素共六十七頁4、金相組織 韌性(rn xn)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鋼的脆性的影響程度取決于第二相質(zhì)點的大小(dxio)、形狀、分布、第二相性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等因素。共六十七頁熱處理方式對鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(wnd)的影響共六十七頁5、加載速率 提高加載速