工程材料力學(xué)性能第三章

工程材料力學(xué)性能第三章第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日前言●靜載:受的應(yīng)力取決于載荷和零件的最小斷面積。●沖擊載荷具有能量特性，與零件的斷面積、形狀和體積有關(guān)?！駴_擊載荷和靜載荷的主要區(qū)別在于加載速率不同?！窦虞d速率：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。增長(zhǎng)率σ=dσ/dt表示，單位為MPa／s第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日形變速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的變形量。變形量:絕對(duì)變形量、相對(duì)變形量形變速率：絕對(duì)形變速率、相對(duì)形變速率，后者應(yīng)用較為廣泛。絕對(duì)變形速率以單位時(shí)間內(nèi)試件長(zhǎng)度的增長(zhǎng)率V=dl/dt，單位為m／s。相對(duì)形變速率即應(yīng)變率，是單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量，

ε=dε/dt，單位為s-1。第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)踐表明：應(yīng)變率在10－4一10－2S-1，金屬力學(xué)性能變化不大，按靜載荷處理;當(dāng)應(yīng)變率大于10－2S-1時(shí)，力學(xué)性能顯著變化.沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)方法揭示金屬材料沖擊時(shí)的脆斷趨勢(shì)第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容：介紹金屬材料在沖擊載荷下力學(xué)行為的特點(diǎn);

討論缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)方法;

了解金屬材料的低溫脆性。第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)

沖擊載荷下的失效類型：過(guò)量彈性變形、過(guò)量塑性變形和斷裂。

一彈性變形：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?！駨椥宰冃我越橘|(zhì)中的聲速傳播。而普通機(jī)械沖擊時(shí)的絕對(duì)變形速率在103m／s以下。在彈性變形速率高于加載變形速率時(shí)，則加載速率對(duì)金屬的彈性性能沒(méi)有影響。第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日二塑性變形:應(yīng)變率對(duì)塑性變形、斷裂及有關(guān)的力學(xué)性能卻有顯著影響。

塑性變形：金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難于充分進(jìn)行。●塑性變形發(fā)展緩慢，若加載速率較大，則塑性變形不能充分進(jìn)行。

第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日1．沖擊載荷下，瞬時(shí)位錯(cuò)上高應(yīng)力，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加,派納力增大，滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生附加強(qiáng)化。

2．沖擊載荷下應(yīng)力水平比較高，將使許多位錯(cuò)源同時(shí)開(kāi)動(dòng)，在單晶體中抑制了易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展。

3．沖擊載荷還增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程平均長(zhǎng)度，增加點(diǎn)缺陷濃度。

4．在靜載荷下，塑性變形比較均勻地分布在各個(gè)晶粒中，沖擊載荷下，塑性變形則比較集中在某些局部區(qū)域，塑性變形是極不均勻的。不均勻的情況限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度(和流變應(yīng)力)、抗拉強(qiáng)度提高，且屈服強(qiáng)度提高得較多，抗拉強(qiáng)度提高得較少。第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日三應(yīng)變速率增加，抗拉強(qiáng)度增加，而且應(yīng)變速率的強(qiáng)度關(guān)系隨溫度的增加而增加。

圖應(yīng)變速率對(duì)銅在各種溫度下抗拉強(qiáng)度的影響第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)沖擊彎曲和沖擊韌性

不含切口零件的沖擊：沖擊能為零件的整個(gè)體積均勻地吸收，從而應(yīng)力和應(yīng)變也是均勻分布的；零件體積愈大，單位體積吸收的能量愈小，零件所受的應(yīng)力和應(yīng)變也愈小。含切口零件的沖擊：切口根部單位體積將吸收更多的能量，使局部應(yīng)變和應(yīng)變速率大為升高。另一個(gè)特點(diǎn)是：承載系統(tǒng)中各零件的剛度都會(huì)影響到?jīng)_擊過(guò)程的持續(xù)時(shí)間、沖擊瞬間的速度和沖擊力大小。這些量均難以精確測(cè)定和計(jì)算。且有彈性和塑性。

因此，在力學(xué)性能試驗(yàn)中，直接用能量定性地表示材料的力學(xué)性能特征；沖擊韌性即屬于這一類的力學(xué)性能。第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日三個(gè)材料脆化因素：缺口、低溫、髙應(yīng)變速率。缺口是主要因素。一缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)原理

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：應(yīng)變速率可達(dá)103S-1

綜合＝缺口＋低溫＋高應(yīng)變速率，這三個(gè)因素對(duì)材料脆化的影響使材料韌性狀態(tài)→脆性狀態(tài)，比較材料因成分、組織的改變產(chǎn)生的脆斷傾向。第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日缺口試樣的形狀有兩種梅氏（中國(guó)和蘇聯(lián)過(guò)去用）夏氏（美國(guó)和日本）我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)：夏氏U型：沖擊功AKU

夏氏V型，沖擊功AKv注意：不同的試驗(yàn)條件，不能對(duì)比。第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日1.擺錘沖斷試樣失去的位能Ak=GH1—GH2，

試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功.單位為J。沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功Ak表示。2.沖擊吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韌脆程度,部分功消耗于試祥扔出、機(jī)身振動(dòng)、空氣阻力以及軸承與測(cè)量機(jī)構(gòu)的摩擦消耗。第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日二沖擊韌性Ak:

1.Ak無(wú)明確的物理意義。

Ak除以缺口處的截面積，表示單位面積的平均值，變成了純粹的數(shù)學(xué)量。2.Ak相同的材料，韌性并不相同。3.Ak作為承受大能量沖擊抗力指標(biāo)或用來(lái)評(píng)定構(gòu)件壽命與可靠性的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日三.沖擊彎曲試驗(yàn)主要用途優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，所以沖擊韌性AK列為五大指標(biāo)之一。功用：

1.通過(guò)測(cè)量沖擊吸收功和對(duì)沖擊試樣進(jìn)行斷口分析，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。注意：不是服役性能指標(biāo)，如規(guī)定Ak≥15J/㎝2，對(duì)柴油機(jī)的連桿的要求熱處理工藝和冶金質(zhì)量是否正常提出的問(wèn)題，Ak＝15J/㎝2，仍可使用。第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日2.根據(jù)低溫沖擊試驗(yàn)可得Ak與溫度的關(guān)系曲線，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。用來(lái)評(píng)定材料的冷脆傾向。評(píng)定脆斷傾向的標(biāo)準(zhǔn)是和材料的具體服役條件相聯(lián)系的。

冷脆：指材料因溫度的降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日3.對(duì)于屈服強(qiáng)度大致相同的材料，根據(jù)Ak值評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性。如彈殼、防彈甲板等，具有參考價(jià)值：4.評(píng)定低合金高強(qiáng)鋼及其焊縫金屬的應(yīng)變時(shí)效敏感性。

第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)低溫脆性一、低溫脆性低溫脆性:一些具有體心立方晶格的金屬，如Fe、Mo和W，當(dāng)溫度降低到某一溫度時(shí)，由于塑性降低到零而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。從現(xiàn)象上看，是屈服強(qiáng)度隨溫度降低而急劇增加的結(jié)果

倘若屈服強(qiáng)度隨溫度的下降而升高較快，而斷裂強(qiáng)度升高較慢，則在某一溫度Tc以下，σs>σc，金屬在沒(méi)有塑性變形的情況下發(fā)生斷裂，即表現(xiàn)為脆性的；而在Tc以上，σs<σc，金屬在斷裂前發(fā)生塑性變形，故表現(xiàn)為塑性的。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.

韌脆轉(zhuǎn)化溫度是一個(gè)溫度區(qū)間。第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日工程上希望確定一個(gè)材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度，在此溫度以上只要名義應(yīng)力還處于彈性范圍，材料就不會(huì)發(fā)生脆性破壞。在冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定標(biāo)準(zhǔn)一旦建立之后，實(shí)際上是按照冷脆轉(zhuǎn)化溫度的高低來(lái)選擇材料。如圖按冷脆轉(zhuǎn)化溫度選材（選B)第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)三種類型：比較材料的脆斷傾向或選材時(shí)，注意使用同一種標(biāo)準(zhǔn)。1)能量標(biāo)準(zhǔn)

2)斷面形貌特征

50％纖維3)斷口的變形特征意義：tK是一個(gè)韌性指標(biāo)，從韌性角度選材的依據(jù)。第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)方法：測(cè)定韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，將試件冷卻到不同的溫度測(cè)定沖擊功AK、斷口形貌特征與溫度的關(guān)系曲線，然后按一定的方法確定韌脆轉(zhuǎn)化溫度。1、能量法第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(1)上平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的能量稱為高階能，下平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的能量稱為低階能。將低階能開(kāi)始上升的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記NDT(NilDuctilityTemperature)稱為零塑性溫度。在NDT以下，試件的斷口為100％的結(jié)晶狀斷。

(2)將高階能開(kāi)始降低的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。記為FTP(FractureTransitionPlastic)．當(dāng)溫度高于FTP，試件的斷口為100％的纖維狀斷口。(3)高階能與低階能的平均值所對(duì)應(yīng)的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為FTE(FractureTransitionElastic)。第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日2．?dāng)嗫谛蚊卜〝嗫谏嫌欣w維區(qū)、放射區(qū)(結(jié)晶區(qū))和剪切唇。在不同的溫度下，三個(gè)區(qū)相對(duì)面積不同:結(jié)晶區(qū)面積百分比的增大,表示材料變脆。通常取結(jié)晶狀斷口面積占50％時(shí)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)化溫度，記為50％FATT第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日三tK意義1tK是一個(gè)韌性指標(biāo)，反應(yīng)了溫度對(duì)韌脆性的影響；2tK是安全性指標(biāo)，從韌性角度選材的依據(jù)之一，抗脆斷設(shè)計(jì)，保證機(jī)件安全，但不能直接用來(lái)設(shè)計(jì)承載能力和尺寸；3根據(jù)tK可以估計(jì)構(gòu)件最低使用溫度。第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日韌性的溫度儲(chǔ)備:在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應(yīng)高于韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。這是韌性的溫度儲(chǔ)備。韌性溫度儲(chǔ)備的大小取決于機(jī)件的重要程度。對(duì)于最重要的零件，其工作溫度不應(yīng)低于NDT+67℃。4tK隨材料、定義方法外界條件的變化而變化。

第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素一、內(nèi)因1.材料成分

晶體結(jié)構(gòu)存在低溫脆性

普通中、低強(qiáng)度鋼的基體是鐵素體；

一般不存在低溫脆性成分：含碳量對(duì)鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的影響第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日如圖：含碳量增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度線性上升，最大沖擊值急劇下降。間隙溶質(zhì)元素含量↑tK↑,置換型溶質(zhì)元素影響不明顯Mn%↑

tK↓Ni%↑tK↓S↑P↑

tK↑第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日2.細(xì)化晶粒

細(xì)化晶粒，使韌性↑

派奇方程描述第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日原因：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶界