材料力學(xué)第3章

材料力學(xué)性能第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能第二章金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖擊載荷加載時(shí)間短，加載速率高；有時(shí)利用，有時(shí)盡量避免或減小。載荷作用效果大，所以必須考慮材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，即沖擊韌性。第一節(jié)沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點(diǎn)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

第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能

學(xué)習(xí)目標(biāo)：重點(diǎn)：沖擊試驗(yàn)方法，低溫脆性了解金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能。掌握沖擊試驗(yàn)方法，了解金屬的低溫脆性，掌握低溫脆性的測試方法了解影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)折溫度的因素。第一節(jié)沖擊載荷下金屬變形和斷裂

當(dāng)時(shí)，金屬力學(xué)性能將發(fā)生明顯變化。

一、基本概念相對形變速率：靜拉伸試驗(yàn)：沖擊試驗(yàn)：加載速率 形變速率二、沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)

沖擊載荷下，應(yīng)變速率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。沖擊載荷限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度提高。塑性和韌性隨應(yīng)變率增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)。

正斷：斷裂應(yīng)力變化不大，塑性下降。切斷：斷裂應(yīng)力上升，塑性不變或提高。材料塑性和應(yīng)變率之間無單值對應(yīng)關(guān)系。

01020304040080012001600純鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線121—沖擊載荷2—靜載荷第二節(jié)沖擊彎曲和沖擊韌性

二、缺口試樣沖擊試驗(yàn)原理一、沖擊韌性的涵義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。沖擊吸收功：沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)視頻三、討論

AK相同的材料，其斷裂功并不一定相同。斷裂功的大小決定了斷裂類型。AK能否真正反映材料的韌脆程度？不能AK并不能代表試樣斷裂前吸收的總能量。AK＝試樣變形斷裂吸收的能量+試樣擲出功+機(jī)身振動(dòng)功＋空氣阻力+……；

AK相同的材料，其韌性不一定相同；四、沖擊斷口沖擊斷口由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū)組成。如果試驗(yàn)材料具有一定的韌性，可形成兩個(gè)纖維區(qū)。1-裂紋源2-腳跟型纖維區(qū)3-放射區(qū)4-二次纖維區(qū)5-缺口6-剪切唇

一組沖擊試樣的斷口照片新標(biāo)準(zhǔn)GB/T229－2007舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T229－1994名稱符號名稱符號沖擊吸收能量K沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KU

2U型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKUU型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KU8V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV

2V型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKVV型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV

8轉(zhuǎn)變溫度Tt韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC

評定原材料的冶金質(zhì)量及熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。揭示冶金缺陷，檢查鍛造或熱處理缺陷。根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)），可得Ak與溫度關(guān)系曲線，測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，據(jù)此可以評定材料的低溫脆性傾向。五、沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：對材料組織十分敏感，且試驗(yàn)簡便易行第三節(jié)低溫脆性

沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇停瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這即低溫脆性。一、低溫脆性現(xiàn)象韌性狀態(tài)脆性狀態(tài)當(dāng)韌脆轉(zhuǎn)變溫度，亦稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度。系列溫度沖擊試驗(yàn)

韌性階段沖擊波動(dòng)階段脆性階段沖擊韌性與溫度的關(guān)系溫度沖擊功二、低溫脆性例子Titanic的沉沒

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。

泰坦尼克號鋼板和現(xiàn)代鋼板的實(shí)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(yàn)中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現(xiàn)代鋼板縱向試驗(yàn)中吸收能為325焦耳，橫向試驗(yàn)中吸收能為100焦耳。

下圖是建造中的Titanic號。Gannon的文章指出，在水線上下都由10張30英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開時(shí)，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。三、韌脆轉(zhuǎn)變的物理本質(zhì)

屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度當(dāng)當(dāng)先屈服再斷裂，韌性斷裂先達(dá)到斷裂強(qiáng)度，脆性斷裂四、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的評定

1、能量準(zhǔn)則

以低階能開始上升的溫度定義為tk，記為NDT，稱無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。在NDT以下，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。以高階能對應(yīng)的溫度定義為tk，記為FTP。在FTP以上，100%纖維狀斷口。以低階能和高階能的平均值對應(yīng)的溫度定義tk，記為FTE。2、斷口形貌法則

溫度下降，纖維區(qū)面積突然減小，結(jié)晶區(qū)面積突然增大。沖擊試樣斷口中結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50％時(shí)所對應(yīng)的溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度tk，亦可記為50％FATT或t50,FATT50.斷口形貌準(zhǔn)則主要用于正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)鋼材的評定。五、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的意義

tk是金屬材料的韌性指標(biāo)，它反映了溫度對韌脆性的影響。

tk是安全性指標(biāo)，可用于抗脆斷設(shè)計(jì)，保證機(jī)件服役安全。

tk是估計(jì)低溫服役機(jī)件最低使用溫度的依據(jù)，選用的材料應(yīng)具有一定韌性溫度儲備。韌性溫度儲備：Δ＝t0－tkt0－使用溫度一般Δ取40－60℃，重要機(jī)件取60℃，非重要機(jī)件取20℃，中間取40℃。幾種鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度材料

σs/Mpa

20J準(zhǔn)則

0.38mm準(zhǔn)則

50FATT準(zhǔn)則

熱軋C-Mn鋼

210271746熱軋低合金鋼

385－24－2212淬火－回火鋼

618－71－67－54tk與定義方法、外界因素等有關(guān)。按上述三種準(zhǔn)則確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度并不等效，從表中幾種鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可以看出，20J準(zhǔn)則與0.38mm準(zhǔn)則比較接近。1.下列說法正確的是（）沖擊吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韌脆程度韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk不是金屬材料的韌性指標(biāo)，但可反映溫度對韌脆性的影響。某實(shí)驗(yàn)室通過試驗(yàn)測得某材料的tk

為300C，因此，我們可以說該材料的tk

即為300C。鋼中的溶質(zhì)元素阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度升高，因而溶質(zhì)元素均提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2.下列不屬于韌脆轉(zhuǎn)變溫度定義的是（）A、NDTB、FADC、FTED、FATT50課堂練習(xí)AB3.與靜載荷相比，沖擊載荷對金屬的哪一種力學(xué)行為的影響最大？（）A、應(yīng)變硬化B、彈性C、塑性D、斷裂4.沖擊韌度是指材料在沖擊載荷下吸收哪一種功的能力？（）A、彈性變形功B、塑性變形功C、斷裂功D、塑性變形功和斷裂功CD六、落錘試驗(yàn)

普通沖擊彎曲試驗(yàn)試樣尺寸過小，不能反映實(shí)際構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，而且結(jié)果分散性大，不能滿足一些特殊要求。為了克服這一困難，Pellini等人提出了落錘試驗(yàn)方法。落錘試驗(yàn)法：用于測定全厚鋼板的NDT，作為評定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。試樣厚度與實(shí)際使用板厚相同，典型尺寸：25*90*350mm19*50*125mm16*50*125mm落錘試驗(yàn)

試驗(yàn)中隨試樣溫度下降，其力學(xué)行為發(fā)生如下變化：

不裂→拉伸側(cè)表面部分形成裂紋但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→試樣斷成兩部分一般規(guī)定裂紋能擴(kuò)展到試樣一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，其含義實(shí)際是鋼板彈性開裂的最高溫度，當(dāng)T<NDT時(shí)，鋼板碎裂；

T>NDT時(shí)，含有大裂紋的試板不會(huì)碎裂。

落錘試驗(yàn)的不足是：對脆斷不能給予定量評定，因?yàn)樵囼?yàn)采用動(dòng)載荷，其結(jié)果能否用于靜載荷尚需研究，此外，板厚的影響亦未考慮。斷裂分析圖通過落錘試驗(yàn)求得的NDT可以建立斷裂分析圖(FAD)，它是表示許用應(yīng)力、缺陷和溫度之間關(guān)系的綜合圖，明確提供了低強(qiáng)度鋼構(gòu)件在溫度、應(yīng)力和缺陷聯(lián)合作用下脆性斷裂開始和終止的條件。應(yīng)用：斷裂分析圖為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆斷設(shè)計(jì)和選材提供依據(jù)；可用來分析脆性斷裂事故。不足：未考慮加載速度和板厚的影響防斷裂設(shè)計(jì)參考判據(jù)在落錘試驗(yàn)測得的NDT和大量同類試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Pellini等提出了對低強(qiáng)度鐵素體鋼NDT的應(yīng)用，建議了四個(gè)防斷裂設(shè)計(jì)參考判據(jù)：1、T工作≥NDT，由于NDT表示小裂紋可作為裂源引起脆裂的臨界溫度。工作溫度要求在NDT以上，允許的應(yīng)力水平限制在35－56Mpa。2、T工作≥NDT＋17℃，允許σ工作≤σs/2，意即名義應(yīng)力低于σs/2，且溫度高于NDT＋17℃時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，該參考判據(jù)提供了σ＜σs/2時(shí)的止裂溫度界限。3、T工作≥NDT＋33℃，允許σ工作≤σs，意即名義應(yīng)力低于σs時(shí)，裂紋可在彈性區(qū)內(nèi)擴(kuò)展的最高溫度為NDT＋33℃，該臨界溫度稱為彈性開裂轉(zhuǎn)變溫度(FTE)，當(dāng)T＞FTE時(shí)，只發(fā)生塑性撕裂。因此FTE是應(yīng)力等于σs時(shí)脆性裂紋止裂溫度。4、T工作≥NDT＋67℃，σ工作達(dá)到σb發(fā)生韌性斷裂。該溫度稱為塑性開裂轉(zhuǎn)變溫度(FTP)，當(dāng)T＞FTP時(shí)，斷裂應(yīng)力達(dá)到材料極限強(qiáng)度，當(dāng)T＜FTP時(shí)，裂紋可在塑性范圍擴(kuò)展，斷裂應(yīng)力在σs和σb之間。第四節(jié)影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素

一、冶金因素

1、化學(xué)成分

2、晶體結(jié)構(gòu)3、顯微組織（晶粒尺寸，金相組織）二、外界因素

1、溫度2、加載速率3、試樣尺寸和形狀化學(xué)成分的影響1）間隙溶質(zhì)元素↑→韌性↓韌脆轉(zhuǎn)變溫度↑2）置換型溶質(zhì)元素對韌性的影響不明顯，鋼中加入置換型溶質(zhì)元素一般也提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度。（Ni減小，提高低溫韌性）3）雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb等使鋼的韌性下降以碳鋼為例：C％↑→韌脆轉(zhuǎn)變溫度↑；

Mn％↑→韌脆轉(zhuǎn)變溫度↓，對船體鋼來說，關(guān)鍵要看Mn/C比，只有當(dāng)Mn/C≥3時(shí)，船體鋼才有比較滿意的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。隨著鋼中含碳量的增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度幾乎呈線性地上升，且最大沖擊值也急劇降低。鋼的含碳量每增加0.1％，冷脆轉(zhuǎn)化溫度升高約為13.9℃。鋼中含碳量的影響，主要?dú)w結(jié)為珠光體增加了鋼的脆性。晶體結(jié)構(gòu)的影響體心立方金屬及其合金存在低溫韌性。普通中、低強(qiáng)度鋼的基體是體心立方點(diǎn)陣的鐵素體，都有明顯的低溫脆性。晶粒尺寸的影響細(xì)化晶?？墒共牧享g性增加。鐵素體晶粒直徑與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系可用派奇方程描述：其中，β、B、C為常數(shù)，d為鐵素體晶粒直徑派奇方程同樣適用于低碳鐵素體－珠光體鋼，低合金高強(qiáng)度鋼。減小亞晶和胞狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高材料韌性。金相組織的影響1）對低強(qiáng)度鋼：按tk由高到低的順序：珠光體→上貝氏體→鐵素體→下貝氏體→回火馬氏體2）對中碳合金鋼且強(qiáng)度相同，tk：下貝氏體＜回火馬氏體；貝氏體馬氏體混合組織＞回火馬氏體3）低碳合金鋼的韌性：貝氏體馬氏體混合組織＞單一馬氏體或單一貝氏體4）馬氏體鋼的韌性：奧氏體的存在將顯著改善鋼的韌性鋼中夾雜物、碳化物