材料力学性能第三章—金属在冲击载荷下的力学性能

§3-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 一、材料方面的因素（内因） 1、晶体结构和强度等级 体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向明显，密排六方金 属不明显（原因在于派纳力的高低）。中低强度钢一般属于体心立 方金属，脆断倾向明显。高强度钢tk不明显。
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2、化学成分的影响 间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度tk提高。
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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。
冲击载荷下屈服强度抗拉强度提高
5、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。
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6、塑性、韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。 如果在一定加载条件及温度下： 材料产生正断，则断裂应力变化不大，随应变率的增加塑性减
1.按能量法定义的 方法 tk 2.按断口形貌定义 的方法tk
1.按能量法定义 的方法
t k
(1)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能 量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称 为“低阶能”。
以低阶能开始上升的温度定义为，并记 NDT(Nil Ductility Temperature)，称为无塑性或零塑 性转变温度。
夏比v型缺口冲击试样 夏比u型缺口冲击试样
无缺缺口口试样冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）
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2、冲击试样开缺口的目的
使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。 缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越 尖锐，Ak值越小，材料表现的脆性越大。 所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互换算和直接比较。
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二、外部因素的影响 促使材料脆化的因素为温度、形变速度、试样尺寸、应力状 态等。 1、形变速度的影响 提高变形速度有类似降温的作用。但是在常用的冲击速度范 围内（4～6m/s），改变变形速度对韧脆转变温度影响不大。
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2、试样尺寸及取样部位的影响 试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比例减少，韧脆转 变温度提高。原因是：尺寸越大，出现缺陷的几率增加、缺口前 沿三向拉应力状态加剧、平面应变断口比例增加，使脆断抗力下 降。 取样部位不同，其韧性值也不同。 3、应力状态及缺口形式的影响 应力状态越硬，缺口越尖锐，韧性越低，韧脆转变温度越高。
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§3-3 低温脆性
一、低温脆性现象 1、定义：体心立方金属及合金或某些密排六方金属及其合金，随
试验温度的下降而降低，在试验温度低于某一温度时，会由韧性状态 变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型断裂变 为穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状。这种现象称为低温脆 性，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。
侧边的最高温度。例
四、断裂分析图（FAD）
c
Ⅰ区可能发生脆断
应力、温度、缺陷
σs
25
b s
s 2 200
300 400
A
Ⅰ
A
Ⅱ B FTE
C FTP
塑性 Ⅱ区可能发生韧断
弹性
Ⅲ Ⅲ区不断裂，一直稳定
NDT
NDT＋33℃
NDT＋67℃
t
提示：A`BC表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度——裂纹终止线 （CAT）
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⑷在低合金钢中，经不完全等温处理获得B和M混合组织，其 韧性比单一M或B要好。这是由于B先于M形成，事先将奥氏体分 成几部分，随后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极为 细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗 的能量大，故钢的韧性较高。
⑸在某些马氏体钢中存在奥氏体，可改善钢的韧性，抑制解 理断裂。
冲击试样冲断后，其断口形貌如图3-7所示。
韧脆转变温度
t k是金属材料的韧
性指标，因为它反 映了温度对韧脆性 的影响，也是从韧 性角度选材的重要 依据之一 。例
需要说明的是：
tk属于韧性指标，也是安全性指标。但不能直接用于机件的设计 计算；
因定义tk的方法不同，同一种材料的也不同，同一种材料使用同 一种方法时，可能因为外界因素（试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速 率等）的改变也要发生变化。
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3、冲击吸收能量K（冲击吸收功AK）并非完全用于试样变形 和破断。
冲击试验时，摆锤所消耗的总功k一部分用于试样的变形和破 断。另一部分消耗于试样的掷出、机身振动、克服空气阻力以及 轴承和测量机构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略不 计的。当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大，所 以不同试验机和不同人员操作的k值相差10％～30％。
3、晶粒尺寸的影响 细化晶粒可提高韧性，降低tk 。
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4、金相组织的影响 ⑴在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢，以S回最好， B回火组织次之，片状珠光体组织最差。 ⑵较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬火回火组织。 ⑶在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高于B下。低碳钢低 温B上的韧性高于M回。这是由于低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶 界析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。
断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。
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§3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
1、冲击载荷下，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。
2、由于冲击过程持续时间短，测量不准确，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。
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三、落锤试验
• 50年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出 • 用于测定全厚钢板的NDT
25mm×90mm×350mm 19mm×50mm×125mm
组成：垂直导轨、重锤和砧 座组成
温度下降
不裂； 拉伸表面部分形成裂纹，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 NDT确定：取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两
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1、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量（如图所示） 检验冶金缺陷：夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级。 检验锻造和热处理缺陷：过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造 裂纹等。 2、根据系列冲击试验，可测得k与温度的关系曲线，测定材料 的韧脆转变温度、蓝脆、重结晶脆性。
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3、作为材料承受大能量冲击破坏时的抗力指标。 如对装甲板之类的结构件，冲击功就是一个重要抗力指标。 但对承受小能量多次冲击（成千上万次）的结构件，用冲击功作 为抗力指标并不合适。
(2)高于某一温度，材料吸收的能量也基本不变， 出现一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对 应的温度为，记为 FTP(Fracture Transition Plastic)。
(3)以低阶能和高阶能平均值对应的c)。
2. 按断口形貌定义 的方法 tk
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飞机起落架
断裂原因：
材料缺陷 疲劳 冲击载荷
缺口 冲击载荷 降低温度
使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映 材料的变脆倾向。 （脆断趋势）
钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断
裂或沿晶断裂。冷脆的断裂功极低，后果是灾难性的。（原因是断裂
面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，
第三章 金属在冲击载荷下的 力学性能
江苏科技大学 材料科学与工程学院
Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
Titanic ——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
工程中，有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作 的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的 压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。
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三、冲击弯曲试验
1、冲击试验： 国家标准GB/T229－2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》。
K＝mg(H1-H2)
对采用u型缺口和v型缺口的试样， 其冲击吸收功分别用Aku和Akv来表示。 试验前需对试验机进行校核。
旧标准使用ak（冲击韧性）作为性 能指标。
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四、冲击值的意义和讨论
1、ak值没有明确的物理意义 其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布，而 是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在 数值上相差极大。 其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用单位面积吸收的 能量ak来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够明确。
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2、Ak或K值相同的材料，其韧性不一定相同 因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、 塑性变形功和裂纹扩展功。对不同的材料，冲击吸收功数值可能相 同，但这三部分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料韧性 好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小。（图）
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主要技术参数及指标：
1 摆锤预扬角：150° 2 摆轴中心至打击中心的距离：750mm、
800mm 3 冲击速度：5.2m/s、5.4m/s 4 最大冲击能量：300J/500J、500J/250J 5 试样支座跨距：40mm 6 试样支座端圆弧半径：R1-1.5mm 7 冲击刀圆弧半径：R2-2.5mm 8 冲击刀两斜面夹角：30° 9 冲击刀厚度：16mm 10 主机外形尺寸：
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锡瘟
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1
s i kyd 2
摩擦阻力
位错阻力 晶格阻力
晶格阻力对温度敏感， 且bcc和hcp>>fcc
1
c
2E s a
2
与温度基本无关
T>tk时: 当σs<σc，韧断
T<tk时: 当σs>σc，脆断
二、脆韧转变温度
韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度 和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度和塑性都可用来表 示韧性。
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五、冲击试验的应用
尽管用ak、Ak或K作为一个力学性能指标来表示冲击韧性存在 着各种不足之处，但其值的大小对材料的组织十分敏感，能敏感地 反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。同时，在生产 上的长期应用，已经积累了大量有价值的资料和数据。常用来检验 冶金、热加工质量。现在还广泛应用在以下几个方面：
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3、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 因弹性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当 大 ， 钢 中 为 4982 m/s ， 普 通 摆 锤 冲 击 时 绝 对 变 形 速 率 只 有 5 ～ 5.5m/s，冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。
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4、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行，原因为： ⑴冲击载荷下位错运动速率大，滑移临界切应力增大，产生附加 强化；使许多位错源同时起作用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生 与发展。 ⑵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。
冲击载荷与静载的主要差异：加载速率不同，加载速率是指载荷 施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。
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因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变 形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间 接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。
不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速 率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应 变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷 处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。
转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。 面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。
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在1912年，英国探险家斯科特率领一支 探险队带了大量给养，包括液体燃料去南极探 险，一去就杳无音信。后来发现他们都冻死在 南极。带了那么多的燃料为什么还无济于事呢？
原来，斯科特一行在返回的路上发现， 他们的第一个储藏库里的煤油已经不翼而飞。 说明一点，盛煤油的铁筒是用锡焊的。没有煤 油就无法取暖，也无法热点东西吃。好不容易 克服千难万险，又找到了另一个储藏库，可是 那儿的煤油筒同样是空空的，铁筒同样有裂缝， 显然煤油都是由于铁筒漏了而流失掉的。
小； 如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑
性的变化不一定，可能不变或提高。
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§3-2 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性 是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断 裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。 二、冲击试样 如图所示 1、冲击弯曲试验试样的种类：