第三章知識資料金屬在沖擊載荷下的力學性能

主講：韓靖博士

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材料科學與工程學院二零一五年十一月六日工程材料力學性能習題解答第三章習題解答金屬在沖擊載荷下的力學性能1.試說明低溫脆性的物理本質(zhì)及其影響因素。

低溫脆性的物理本質(zhì)：宏觀上對于那些有低溫脆性現(xiàn)象的材料，它們的屈服強度會隨溫度的降低急劇增加，而斷裂強度隨溫度的降低而變化不大。當溫度降低到某一溫度時，屈服強度增大到高于斷裂強度時，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，因此材料在受力時還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。

從微觀機制來看低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關(guān)，當溫度降低時，位錯運動阻力增大，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加。影響材料低溫脆性的因素有：

1．晶體結(jié)構(gòu)：對稱性低的體心立方以及密排六方金屬、合金轉(zhuǎn)變溫度高，材料脆性斷裂趨勢明顯，塑性差。

2．化學成分：能夠使材料硬度，強度提高的雜質(zhì)或者合金元素都會引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。

3．顯微組織：晶粒大小，細化晶?？梢酝瑫r提高材料的強度和塑韌性。因為晶界是裂紋擴展的阻力，晶粒細小，晶界總面積增加，晶界處塞積的位錯

數(shù)減少，有利于降低應力集中；同時晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

金相組織（P64）4．溫度：溫度影響晶體中存在的雜質(zhì)原子的熱激活擴散過程，釘扎位錯原子氣團的形成會使得材料塑性變差。

5.應力狀態(tài)的影響：切應力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度越低，則不易產(chǎn)生脆性斷裂。6．加載速度的影響：提高加載速度如同降低材料的溫度，使得材料塑性變差，脆化溫度升高。

7．試樣形狀以及尺寸的影響：缺口曲率半徑越小，則韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高；試樣尺寸寬度或厚度增加時，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。2.試述焊接船舶比鉚接船舶容易發(fā)生脆性破壞的原因。

焊接容易在焊縫處形成粗大金相組織氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、錯邊、咬邊等缺陷，增加裂紋敏感度，增加材料的脆性，容易發(fā)生脆性斷裂。3.試從宏觀上和微觀上解釋為什么有些材料有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而另外一些材料則沒有？

宏觀上，體心立方中、低強度結(jié)構(gòu)鋼隨溫度的降低沖擊功急劇下降，具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。而高強度結(jié)構(gòu)鋼在很寬的溫度范圍內(nèi)，沖擊功都很低，沒有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

微觀上，體心立方金屬中位錯運動的阻力對溫度變化非常敏感，位錯運動阻力隨溫度下降而增加，在低溫下，該材料處于脆性狀態(tài)。而面心立方金屬因位錯寬度比較大，對溫度不敏感，故一般不顯示低溫脆性。體心立方金屬的低溫脆性還可能與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)，對低碳鋼施加一高速到高于屈服強度時，材料并不立即產(chǎn)生屈服，而需要經(jīng)過一段孕育期（稱為遲屈時間）才開始塑性變形，這種現(xiàn)象稱為遲屈服現(xiàn)象。由于材料在孕育期中只產(chǎn)生彈性變形，沒有塑性變形消耗能量，所以有利于裂紋擴展，往往表現(xiàn)為脆性破壞。4.簡述根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度分析機件脆斷失效的優(yōu)