材料力学性能课件(金属在冲击载荷下的力学性能)PPT
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材料力学性能教学课件材料在冲击载荷下的力学性能
探讨合成材料在冲击载荷下的性 能特点，包括轻量化、高强度和 耐磨性等。
案例分析
1
案例介绍
选择一个具体案例，描述材料在冲击载荷下的实际应用场景。
2
冲击试验结果分析
分析该案例的冲击试验结果，讨论材料的性能表现和受力情况。
3
改进建议
根据试验结果提出改进建议，以提高材料在冲击载荷下的性能和可靠性。
总结
学习收获和启示
1
冲击载荷的概念和定义
介绍冲击载荷的概念和定义，解释其与静态载荷的区别和特点。
2
冲击载荷的分类
详细阐述不同类型的冲击载荷，如冲击力、冲击力矩等，并对其进行分类和讨论。
材料在冲击载荷下的力学性能
1
冲击试验方法介绍
介绍材料力学性能冲击试验的常用方法，
冲击试验数据分析
2
包括冲击试验设备和常见试验标准。
探讨如何分析冲击试验数据，重点关注力
导言
研究背景和意义
介绍材料力学性能在冲击载荷下的研究背景，探讨其在工程和科学领域的重要性。
冲击载荷对材料的影响
解释冲击载荷对不同材料的影响，包括力学性能的变化和材料的损伤和破坏。
课程目标和安排
明确课程的目标和安排，激发学生的学习兴趣，帮助学生理解材料力学性能在冲击载荷下的 重要性。
冲击载荷的概念和分类
学性能参数的计算和评估。
3
关键力学性能
描述材料在冲击载荷下的关键力学性能， 包括抗拉强度、塑性、韧性和硬度的含义 和评估方法。
常见材料在冲击载荷下的性能表现钢材解释钢材在冲击载荷下的性能表 现，包括其强度、韧性和变形能 力。
铝合金
介绍铝合金在冲击载荷下的性能 表现，如其强度、塑性和耐腐蚀 性。
案例分析
1
案例介绍
选择一个具体案例，描述材料在冲击载荷下的实际应用场景。
2
冲击试验结果分析
分析该案例的冲击试验结果，讨论材料的性能表现和受力情况。
3
改进建议
根据试验结果提出改进建议，以提高材料在冲击载荷下的性能和可靠性。
总结
学习收获和启示
1
冲击载荷的概念和定义
介绍冲击载荷的概念和定义，解释其与静态载荷的区别和特点。
2
冲击载荷的分类
详细阐述不同类型的冲击载荷，如冲击力、冲击力矩等，并对其进行分类和讨论。
材料在冲击载荷下的力学性能
1
冲击试验方法介绍
介绍材料力学性能冲击试验的常用方法，
冲击试验数据分析
2
包括冲击试验设备和常见试验标准。
探讨如何分析冲击试验数据，重点关注力
导言
研究背景和意义
介绍材料力学性能在冲击载荷下的研究背景，探讨其在工程和科学领域的重要性。
冲击载荷对材料的影响
解释冲击载荷对不同材料的影响，包括力学性能的变化和材料的损伤和破坏。
课程目标和安排
明确课程的目标和安排，激发学生的学习兴趣，帮助学生理解材料力学性能在冲击载荷下的 重要性。
冲击载荷的概念和分类
学性能参数的计算和评估。
3
关键力学性能
描述材料在冲击载荷下的关键力学性能， 包括抗拉强度、塑性、韧性和硬度的含义 和评估方法。
常见材料在冲击载荷下的性能表现钢材解释钢材在冲击载荷下的性能表 现，包括其强度、韧性和变形能 力。
铝合金
介绍铝合金在冲击载荷下的性能 表现，如其强度、塑性和耐腐蚀 性。
金属在冲击载荷下的力学性能
(2) 同一材料，使用同一定义方法，由于 外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度 和加载速率发生变化，tk也发生变化。
(3) 在一定条件下，用试样测得的tk，因 和实际结构工况无直接联系，不能说明该材 料构成的机件一定在该温度下脆断。
23/29
§3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素
一、晶体结构的影响 1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。 2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般
另外，对于有缺口试样，由于缺口截面 上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主 要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak 是一个纯数学量。
直接用Ak更有意义。
10/29
(4) Ak 、ak不能真实反映一般零件承受上 千万次冲击载荷的能力
只有承受大能量冲击的零件，如炮弹， 装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才 可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大 部分零件的工作状态还承受小能量多次重复 冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。
缺口。 脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具
钢等。 标准试样尺寸：10mm×10mm×55mm。
6/29
7/29
二、冲击吸收功和冲击韧度
1、冲击吸收功 Ak 为冲断试样过程中所消耗的功。
2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)ak
ak
Ak F
F：试样缺口(折断处)的原始截面积。
8/29 3、讨论 (1) 通常将Ak 、ak作为衡量材料抵抗冲击
而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小， 两者相交于tk。
图3-1 屈服强度和解理断裂强度随温度的变化
14/29
当t>tk时，σc>σs，随外力↑，先屈服，后 断裂→韧性断裂。
当t<tk时，σc<σs，外加应力先达到σc，(屈 服的同时发生断裂)为脆性断裂。
(3) 在一定条件下，用试样测得的tk，因 和实际结构工况无直接联系，不能说明该材 料构成的机件一定在该温度下脆断。
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§3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素
一、晶体结构的影响 1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。 2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般
另外，对于有缺口试样，由于缺口截面 上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主 要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak 是一个纯数学量。
直接用Ak更有意义。
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(4) Ak 、ak不能真实反映一般零件承受上 千万次冲击载荷的能力
只有承受大能量冲击的零件，如炮弹， 装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才 可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大 部分零件的工作状态还承受小能量多次重复 冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。
缺口。 脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具
钢等。 标准试样尺寸：10mm×10mm×55mm。
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二、冲击吸收功和冲击韧度
1、冲击吸收功 Ak 为冲断试样过程中所消耗的功。
2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)ak
ak
Ak F
F：试样缺口(折断处)的原始截面积。
8/29 3、讨论 (1) 通常将Ak 、ak作为衡量材料抵抗冲击
而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小， 两者相交于tk。
图3-1 屈服强度和解理断裂强度随温度的变化
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当t>tk时，σc>σs，随外力↑，先屈服，后 断裂→韧性断裂。
当t<tk时，σc<σs，外加应力先达到σc，(屈 服的同时发生断裂)为脆性断裂。
金属的力学性能ppt课件
采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为 1.588mm的淬火钢球作为压头,直接测量压痕深度 来表示材料的硬度值。
试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到 规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来 确定材料的硬度值。
15
2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛
8
二、塑性
定义： 材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。
(1)断后伸长率
公式：A = （Lu- L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm）
Lu—试样拉断后的标距长度（mm）
(2)断面收缩率
公式： Z = （S0 - Su）/S0 ×100% 式中： S0—试样原始横截面面积（mm2）
2
一、强度
1）定义 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能
力。 2）分类
根据载荷作用方式不同： a）抗拉强度——主要的常用强度指标； b）抗压强度； c）抗剪强度； d）抗扭强度； e）抗弯强度。
3
1.拉伸试样
形状：根据国家标准（GB/T228——2002） 有：圆形、矩形、六方形。
强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。 把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施 加拉力，使之不断变形直到拉断为止。
压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度 越高。
8
11
2)布氏硬度的符号及表示方法 布氏硬度的符号用 HBS或HBW表示。
① HBS表示压头为淬火 钢球，用于测定布氏 硬度值在450N/mm2（MPa）以下的金属材料，如 软钢、灰铸铁和有色金属等。对于较硬的钢或较薄 的板材不适用。
在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压 痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。
试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到 规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来 确定材料的硬度值。
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2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛
8
二、塑性
定义： 材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。
(1)断后伸长率
公式：A = （Lu- L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm）
Lu—试样拉断后的标距长度（mm）
(2)断面收缩率
公式： Z = （S0 - Su）/S0 ×100% 式中： S0—试样原始横截面面积（mm2）
2
一、强度
1）定义 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能
力。 2）分类
根据载荷作用方式不同： a）抗拉强度——主要的常用强度指标； b）抗压强度； c）抗剪强度； d）抗扭强度； e）抗弯强度。
3
1.拉伸试样
形状：根据国家标准（GB/T228——2002） 有：圆形、矩形、六方形。
强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。 把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施 加拉力，使之不断变形直到拉断为止。
压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度 越高。
8
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2)布氏硬度的符号及表示方法 布氏硬度的符号用 HBS或HBW表示。
① HBS表示压头为淬火 钢球，用于测定布氏 硬度值在450N/mm2（MPa）以下的金属材料，如 软钢、灰铸铁和有色金属等。对于较硬的钢或较薄 的板材不适用。
在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压 痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
金属材料的力学性能课件
南山学院
第一章 金属的力学性能
第一节 强度与塑性
一、材料的拉伸曲线
1、oe段：直线、弹性变性 oe段 直线、 2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形 es段 曲线、弹性变形+ 3、s s 段：水平线（略有波动）明显 s’段 水平线（略有波动） 的塑性变形屈服现象， 的塑性变形屈服现象，作用的力基本不 试样连续伸长。 变，试样连续伸长。 4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形 b曲线：弹性变形+ 5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样即将断裂。 拉伸力达到最大值，试样即将断裂。
南山学院
§1-1 强度与塑性
一、强度的指标
强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。 1、屈服点
σs = Fs/S0 符号： 符号： σs 材料产生屈服现象时的最小应力
Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm） 试样屈服时所承受的拉伸力（ ） 试样原始横截面积（ ）
2、抗拉强度
4、测量范围
用于测量灰铸铁 结构钢、非铁金属及非金属材料等. 灰铸铁、 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.
南山学院
§1-2 硬度
二、洛氏硬度
1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计） 洛氏硬度试验
原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面， 原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面， 经规定时间后卸除试验力， 经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一 种压痕硬度试验。 种压痕硬度试验。
南山学院
§1-2 硬度
一、布氏硬度
金属材料的力学性能ppt课件.ppt
为塑性变形。
F F F
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料
的脆性愈大
通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值
Fe
e
k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
F F F
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料
的脆性愈大
通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值
Fe
e
k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
材料性能学1一14周第三章金属在冲击载荷下的力学性能许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。
形变速率：单位时间的变形量。
加载速率提高，形变速率也增加。
相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。
冲击载荷2－104s-1 de10d静载荷10-5－10-2s-1一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。
由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。
冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。
金属材料在冲击载荷下难以发生塑性变形。
1.1 应变速率对塑性变形的影响金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因：1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。
2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。
纯铁的应力－应变曲线1－冲击载荷1.2 应变速率对强度的影响2－静载荷静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。
这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高。
第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能
冲击韧度只是一种混合的韧性指标， 在设计中不能定量使用。
冲击功＝（冲击弹性功＋塑性功＋撕裂 功）＋空气阻力＋机身振动＋轴承与测量 机构的摩擦＋试样的飞出等。
三、冲击韧度的工程意义
表示材料韧度的性能指标共有三个：冲击 韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力 韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载 荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件 下材料的韧度。
d / dt ,
d dl / l
dl 1 dl 1 d / dt l dt dt l l
静拉伸的应变速率在10 ～10 S ,当应变速率 大于10 S ，材料的力学性能将发生显著的变
-2 -1
-5
-2
-1
化。
冲击载荷下材料变形和断裂的特点
弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性
b)
c)
塑性变形集中在局部区域，较之静载条件 极不均匀。
应变速率提高，材料塑性必定下降？
材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增 加而减小。 材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可 能提高。
应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)断面收缩率
应变速率对淬火回火35CrNiMoV钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)延伸率和断面收缩率
物构件小，由于变形的几何约束小带来的脆化
程度也相应地小一些。
试验之前试样在所选 的低温条件下保温3045分钟，然后迅速将
焊堆长×宽×厚 64×15×4mm
其移至支座上，用落
锤对其冲击 。锤的冲 击能量是根据板材厚 度和材料的屈服强度 这两个参数决定的。 落锤试验示意图
第4章_金属在冲击载荷下的力学性能
第4章金属在冲击载荷下的力学性能◆4.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点◆4.2 冲击弯曲和冲击韧性◆4.3 低温脆性◆4.4 影响韧脆转变温度的冶金因素许多机器零件在实际工作中要受到冲击载荷的作用，如冲床、锻锤、汽车行驶通过道路上的凹坑、飞机起飞和降落等。
冲击载荷属于动态载荷，而且，温度降低和加载速度提高都会增加材料的脆断倾向。
本章主要讨论冲击载荷作用下材料的性能评定和冷脆倾向及其影响因素。
4.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、加载速率冲击载荷与静载荷的主要区别：加载速率不同 加载速率：载荷施加于机件的速率，用单位时间内增加的应力表示(σ=d σ/dt )，单位为MPa/s 。
冲击载荷加载速率佷高静载荷加载速率低形变速率：单位时间内的变形量。
加载速率↑，形变速率↑二、形变速率用形变速率可以间接地反映加载速率。
表示方法绝对形变速率：单位时间内试件长度的增长率V =dl /dt ，单位为m/s相对形变速率(应变速率)：单位时间内应变的变化量de d ετ∙=（e —真应变）三、加载状态划分现代机械中，不同机件的应变速率范围：10−6/s ~106/s •静载：应变速率在 ≤ 10−5/s 范围，金属材料的力学性能变化不明显；•准静态： ＝10−5/s ~ 10−2/s （相当于静载）；•动态： ≥ 10−2/s ，金属材料的力学性能变化明显。
必须考虑加载速度对力学性能的影响。
ε∙ε∙ε∙静拉伸试验 ：10−5/s ~ 10−2/s冲击试验 ： 102/s ~ 104/s四、形变速率对弹性变形的影响弹性变形受应变速率影响不大原因：弹性变形传播速度较快，是以声速在介质中传播；普通摆锤冲击试验时绝对变形速度：5~5.5m/s冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化因此，弹性变形可以及时响应冲击载荷。
应变速率对金属的弹性行为及弹性模量不会产生影响。
五、形变速率对塑性变形的影响形变速率对塑性变形及断裂过程有显著影响。
金属在冲击载荷下的力学性能
第三章金属在冲击载荷下的力学性能冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度。
应变率ε=de/dτ e为真应变静拉伸试验ε=10-5～10-2s-1冲击试验ε=102～104s-1一般情况下ε=10-4～10-2s-1，可按静载荷处理§3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、冲击失效的特点（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。
（2）吸收的冲击能测不准。
时间短；机件；与机件联接物体的刚度。
通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。
（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。
弹性变形的速度4982m/s（声速）普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s二、影响冲击性能的微观因素（1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，材料的冲击去韧性↑。
（2）同时开动的位错源增加。
∴屈服强度提高得较多。
（3）内部的塑性变形不均匀。
三、冲击断口同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区。
若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。
即：纤维区—放射区—纤维区—剪切唇。
∵裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。
∴形成纤维区。
§3-2 冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性及其作用1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。
单位，J；或kgf/cm22、作用（1）揭示冶金缺陷的影响（2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。
（3）评定低温脆性倾向。
二、冲击试验（视频演示：冲击实验）1、艾氏冲击摆锤，55×10×10试样，跨距45mm；无缺口，有缺口（U；V）记为A k,A ku,A KV。
铸铁（QT、白口铁）110×20×20，跨距70，无缺口。
2、小能量多冲击磨球的冲击等单次冲击不足以破坏材料。
冲击疲劳、断裂，3、落锤试验模拟试验，半定量测定材料的性能。
§3-3 低温脆性及韧脆转变温度一、低温脆性现象在低温下，材料的脆性急剧增加。
金属材料的力学性能PPT课件
材料的ak值愈大，韧性就愈好； 材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。
43
2. 断裂韧性
低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况
下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。
低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身
缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生 的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导 致零（构）件断裂。
44
1.1.5 疲劳强度
① 疲劳破坏
零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下， 经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳 断裂。 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度 检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。
39
1.1.4 冲击韧性
1. 冲击韧性
是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
冲击韧性的测定方法
摆锤式一次冲击试验 小能量多次冲击试验
40
摆锤式一次冲击试验 摆锤式冲击实验机
41
试验原理
14
拉伸试验（应力—应变）曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
（缩颈点） K — 断裂点
15
拉伸过程变化的三个阶段
（1） 弹性变形阶段 （2） 屈服变形阶段 （3） 强化阶段 （4） 缩颈阶段
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
16
弹性与塑性
弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复 其原来形状的性能，叫做弹性。 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。 塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫 做塑性变形。
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
8
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
对于冲击试样，我国过 去和前苏联都采用梅氏 试样，美国和日本等过 则采用夏氏试样。 现在我国国家标准则融 合梅氏和夏氏两种类型 为一体，分别成为夏比 （Charpy）U形缺口试 样和夏比V形缺口试样。 用不同缺口试样测得的 冲击吸收功分别记为 Aku和AKV。
9
13
冲击断裂过程
PGY之前，弹性变形 PGY后，塑性变形；载荷 增大到Pmax，塑性变形 区逐渐扩展到整个缺口面 （塑性区为图中红色虚线 和缺口面之间面积）； 在Pmax附近，应力最大 点位于红色虚线上；因此 在此处产生裂纹；随后裂 纹向前和向后同时扩展； 扩展机制是微孔聚集型， 形成图中“脚跟形纤维状 区”；此过程中材料承载 面积减小，载荷逐渐下降 到PF。
25
第三节 低温脆性
2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度 下，纤维区、放射区与剪切 唇三者之间的相对面积（或 线尺寸）是不同的。 温度下降，纤维区面积突然 减少，结晶区面积突然增加， 材料由韧变脆。 通常取结晶区面积占整个断 口面积的50%时的温度为tk， 记为50%FATT或FATT50、 t50。
21
第三节 低温脆性
挑战者号失事了！ 爆炸后的碎片在发射东南方 30km处散落了1h之久，价值 12亿美元的航天飞机，顷刻化 为乌有，7名机组人员全部遇难。 全世界为此震惊。 事故原因最终查明：起因是助 推器两个部件之间的接头因为 低温变脆破损（在航天飞机设 计准则明确规定了推进器运作 的温度应为40~90°F，而在实 际运行时，整个航天飞机系统 周围温度却是处于31~99°F的 范围。），喷出的燃气烧穿了 助推器的外壳，继而引燃外挂 燃料箱。燃料箱裂开后，液氢 在空气中剧烈燃烧爆炸造成的。
《金属材料力学性能》课件
《金属材料力学性能》PPT课件
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
Chapter 3 金属在冲击载荷下的力学性能
可见： 凡是使ζ c↑的因素，都使tk↓——有利 凡是使ζ s↑的因素，都使tk↑——不利
3 韧脆转变温度的确定 韧性 —— 材料塑性变形和断裂全过程吸收 能量的能力，是强度、塑性的综合表现，故 可用断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小、 断口形貌等确定tk 。 (1) 以低阶能定义tk，NDT (nil ductility temperature) ——无塑性或零塑性转变温度 ——低于NDT,断口由100%结晶区组成。
(3)改变零件的几何形状和尺寸
随工件尺寸的↑，Ak↓，tk↑。 原因： (1)工件尺寸↑，缺陷几率↑，脆性↑ (2)试样越大，越易从单向―三向应力 三向等拉伸最硬，故最脆。 小试样，尤薄试样，塑性区大，脆性↓。 厚试样，塑性区小，脆性↑。 大型构件或零件易发生脆性断裂
防止脆性断裂的主要措施：
(1)根据工作温度选择材料；
(2)限制缺陷尺寸和工作应力；
(三) 冲击弯曲试验用途
1、能反映原材料的冶金质量质、宏观
缺陷、显微组织敏感
2、根据冲击试验得到Ak(ak)－T曲线，测定材
料的韧脆转变温度，从而可以评定材料的低 温脆性倾向。
回火脆性
热脆现象
第三节
低温脆性
一、金属材料的典型冲击值—温度曲线 原因：单一温度下 的韧性指标并不能 准确代表完整、真 实韧性
1、温度
从系列冲击试验可得，有几个脆性区： 冷脆区、蓝脆、重结晶脆性。
蓝脆：
溶质原子（C，N）对位错的跟踪钉扎。
——注：静载荷下该温度降至300℃左右
重结晶脆性：
在 A1-A3 区内出现的脆性称重结晶脆性。 与钢处于两相混合组织区有关。
2、冲击速率
冲 击 速 率 ↑ ，
tk↑，脆性↑。
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
材料性能学 一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击 能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程 的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。 由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件 内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击 能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为 4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对 金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲 击载荷下难以发生塑性变形。
材料性能学
1.1 应变速率对塑性变形的影响 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进 行，主要有以下两方面的原因：
1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错 源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段 的产生与发展。 2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现 孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加 了点缺陷的浓度。
材料性能学
4.2 化学成分
右图为在α-Fe中加入间隙元素 和置换元素对其韧脆转变温度 的影响 间隙溶质元素偏聚于位错线 附近，阻碍位错运动，提高tk 。 置换元素（除Ni、Mn外） 一般也提高tk。 杂质元素S、P等偏聚于晶界， 产生沿晶脆性断裂，降低钢的 韧性。
（a）含碳量（b）合金元素对韧 脆转变温度的影响
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
材料性能学
低温脆性是材料屈服强 度随着温度的降低急剧 增加的结果。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小，两线 交点对应的温度就是韧 脆转变温度tk。 σc
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σc σs tk
图 σs和σc随温度变化示意图
t
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第3章温度
�工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度，在此温度 以上只要名义应力还处于弹性范围， 材料就不会发生脆 性破坏。
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材料力学性能
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材料力学性能
第3章 金属在冲击载荷下的力学性能
4
金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。 �1.冲击载荷下，几乎瞬时作用于位错上相当高的应力， 结果位错运动速率增加。位错运动速率增加将使派纳力增 大，滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。 �2.冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开 动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展。 �3.冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶， 减小位错运动自由行程平均长度，增加点缺陷浓度。 �4. 在冲击载荷下，塑性变形则集中在某些局部区域，塑 性变形是极不均匀的。限制了塑性变形的发展，导致屈服 强度(和流变应力)、抗拉强度提高，且屈服强度提高得较 多，抗拉强度提高得较少。
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第3章 金属在冲击载荷下的力学性能
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三、落锤试验和断裂分析图
�缺口冲击试验测量的冷脆转化温度偏低。且普通冲击 试验试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态， 而且结果分散性大。
图 落锤试验
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第3章 金属在冲击载荷下的力学性能
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第3章 金属在冲击载荷下的力学性能
3
§3.1 冲击载荷 下金属变形和断裂的特点
�机件在冲击载荷下所受的应力，通常是假定冲击能全 部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 �应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 但对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影响。 �在冲击载荷下，位错运动的速率增加。位错运动的速 率越大，则能量越大，宽度越小，其派纳力增加。结果 滑移临界切应力增加，产生强化。 �金属材料在冲击载荷下作用下，塑性变形难于充分进 行，而且塑性变形不均匀，导致屈服强度和抗拉强度提 高，且屈服强度提高较多，抗拉强度提高较少。
第3章 金属在冲击载荷下的力学性能
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�韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能 力，是强度和塑性的综合表现，在特定条件下，能量、 强度和塑性都可以用来表示塑性。依照试样断裂消耗的 功及断裂后塑性变形的大小均可确定tk。 �目前没有简单的判据判断，通常根据能量、塑性变形 或断口形貌随温度的变化定义tk。
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�低温脆性产生的原因 �1. 低温脆性是材料屈服 强度随温度降低急剧增加 σ 的结果。体心立方金属的 派纳力在屈服强度中占较 大的比例，而派纳力属短 程力，随温度的下降，显 著增加。 �2.体心立方金属的低温 脆性可可能与迟屈服现象 有关。 0
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�冲击吸收功A的大小并不能真正反映材料的韧脆程度。 冲击弯曲试验主要用途： � 1)反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。通过 测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析、可揭示原材 料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶 金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等铸造或热处理缺陷。 � 2)根据系列冲击试验(低温冲击试验)可得冲击吸收功与 温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。据此可以评 定材料的低温脆性倾向，供选材时参考或用于抗脆断设计。 设计时，要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。 � 3)对于屈服强度大致相同的材料，根据冲击吸收功值可 以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。
17
2.断口形貌定义tk的方法
�冲击试样断口也有纤维区、 放射区（结晶区）与剪切唇三 部分。 �在不同温度下，纤维区、放 射区与剪切唇三者之间相对面 积不同。温度下降，纤维区面 积减少，结晶区面积增大。 �通常取结晶区面积占整个断 口面积50%时的温度为韧脆转 变温度，记为 50%FATT。 �断口的变形特征 :将缺口试样 冲断时，缺口的一侧收缩，另 一侧膨胀，测量两侧面的边 长，以边长差值为 0.38 作为冷 脆转化温度。
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100 % 结晶区面积� �
0 50%FATT 杜大明
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100 高阶能
% 结晶区面积� �
冲击吸收功 低阶能 FTE NDT 50%FATT FTP 九江学院材料科学与工程学院 杜大明
50
0
几种钢的脆性转变温度
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不同的材料出现低温脆性的趋势不同： �体心立方晶体一般存在低温脆性； �面心立方晶体一般不存在低温脆性，在20~4.2K的极 低温度下，奥氏体钢和铝合金也有冷脆性； �高强度钢的韧脆转变不明显。
图 Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果 1995年2月美国《科学大众》（ Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是 “What Really Sank The Titanic”,付标 题是“为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后 3小时就沉没了？一 项新的科学研究回答了 80年未解之谜“。
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图 纯铁的应力—应变曲线 1.冲击载荷 2.静载荷
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
�冲击韧性指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和 断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功A表示。
高阶能 冲击吸收功 低阶能 NDT FTE FTP 杜大明
�在船体钢脆性断裂的研究中 提出了20J准则，即在Charpy-V 缺口系列冲击试验中，用冲击 �3）以低阶能和高阶能平均值 功20J对应的温度作为韧脆转变 对应的温度定义，并记为 FTE。 温度。
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100 高阶能 冲击吸收功 低阶能 NDT FTE 0 50%FATT FTP 杜大明 九江学院材料科学与工程学院 % 结晶区面积� �
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1.用能量法定义tk的方法
�1）当低于某一温度，金属材 料吸收的冲击能量基本上不随 温度而变化，形成一平台，该 温度称为低阶能。以低阶能开 始上升的温度定义 tk，记为 NDT，，称为零塑性转变温度。 �2）当高于某一温度，金属材 料吸收的冲击能量基本上不随 温度而变化，形成一平台，该 温度称为高阶能。以高阶能对 应的温度定义 tk，记为FTP，称 为零塑性转变温度。
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§3.3 低温脆性
一、低温脆性现象
�体心立方晶体金属及合金 或某些密排六方晶体金属 及其合金，在试验温度低 于某一温度tk时，会由韧性 状态变为脆性状态，冲击 吸收功明显下降，断裂机 理由微孔聚积型变为穿晶 解理，断口特征由纤维状 变为结晶状，这就是低温 脆性。
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�2、T工作≥NDT＋33℃ 允许σ工作≤σs，意即名 义应力低于σs时，裂纹可在弹性区内扩展的最高温度为 NDT＋33℃，该临界温度称为弹性开裂转变温度(FTE)， 当T＞FTE时，只发生塑性撕裂。因此FTE是应力等于σs 时脆性裂纹止裂温度。 σ工作达到σb发生韧性断 �3、T工作≥NDT＋67℃ 裂。该温度称为塑性开裂转变温度(FTP)，当T＞FTP 时，断裂应力达到材料极限强度，当T＜FTP时，裂纹可 在塑性范围扩展，断裂应力在σs和σb之间。
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�试样的厚度t为所试钢板的全厚度(12～25 mm )，且保留 一轧制面，在试样宽度的中点沿长度方向堆焊一脆性焊珠。 在焊珠中间开一缺口，缺口的方向与试验的拉力方向相垂 直，以便引发裂纹。在支座跨距的中点安置着一个变形终 止块。 �试验中随试样温度下降，其力学行为发生如下变化：不裂 →拉伸侧表面部分形成裂纹但未发展到边缘→拉伸侧表面 裂纹发展到一侧边或两侧边→试样断成两部分。 �试验时选用不同的试验温度进行系列试验，便可以测出试 样开裂的最高温度。这个温度叫做无塑性转变温度简称 NDT，如试验温度低于NDT，则裂纹就可自拉伸面横穿板 的宽度直至边缘，NDT是产生无塑性破坏的最高温度。当 T<NDT时，钢板碎裂；T>NDT时，含有大裂纹的试板不会 碎裂。
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�常用试样为U型缺 口试样或V型缺口试 样。 �球铁或工具钢等脆 性材料常用 10mm×10mm ×55mm 的无缺口冲击试样。