3金属在冲击载荷下的力学性能
安徽工业大学 工程材料力学性能复习提纲整理(1)
1.包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%～2%），卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。
2.用低密度可动位错理论解释屈服现象产生的原因金属材料3.答：塑性变形的应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比欲提高v就需要有较高应力τ这就是我们在实验中看到的上屈服点。
一旦塑性形变产生，位错大量增值，ρ增加，则位错运动速率下降，相应的应力也就突然降低，从而产生了屈服现象。
（回答不完整，尤其是上屈服点产生的原因回答的不好）3.塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。
强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力脆性：材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
4.韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么脆性断裂最危险？答：韧性断裂是材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量，韧性断裂的断裂面的断口呈纤维状，灰暗色。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性极大，脆性断裂面的断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
5.试指出剪切断裂与解理断裂哪一个是穿晶断裂，哪一个是沿晶断裂？哪一个属于韧性断裂，哪一个属于脆性断裂？为什么？答：都是穿晶断裂，剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面发生滑移分离而造成的断裂，断裂面为穿晶型，在断裂前会发生明显的塑性变形，为韧性断裂；而解理断裂是材料在正应力作用下沿一定的晶体学平面产生的断裂，也为穿晶断裂，但断裂面前无明显的塑性变形，为脆性断裂。
6.拉伸断口的三要素:纤维区、放射区、剪切唇7. 理论断裂强度的推导过程是否存在问题？为什么？为什么理论断裂强度与实际的断裂强度在数值上有数量级的差别？答：（1）虽然理论断裂强度与实际材料的断裂强度在数值上存在着数量级的差别，但是理论断裂强度的推导过程是没有问题的。
金属在冲击载荷下的力学性能
(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。
金属力学性能之韧性指标
韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标。
①冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收冲击功的能量大小，它表示材料对冲击负荷的抗力。
目前均采用冲击吸收功AKV表示，单位J试样：U型缺口—时效冲击时用V型缺口 AKV表示，V型缺口在锅炉压力容器的检验中应用较多。
时效冲击将试件拉伸残余变形10%（低碳钢），5%（低合金钢）后加热250° 10℃保温一小时后再作冲击，试验采用U型缺口，得出a kus时效冲击值。
（1）脆性转变温度：T k我们把使材料的冲击韧性显著降低的温度叫做脆性转变温度。
因为冲击韧性与试验温度有关，材料在低温下会出现由塑料状态转变为脆性状态，冷脆性转变温度的高低是金属材料质量指标之一。
冷脆转变温度越低的材料其材料的低温冲击性能越好，北方寒冷地区必须具有更低的冷脆转变温度才能保证安全，所以在-20℃以下的地区所有焊件都要求低温冲击韧性。
冷脆温度的测定目前可使用三种方法：①能量准则法②断口形貌准则法③落锤试验法所测试样发生脆性断裂的最高温度称为无塑性转变温度NDT。
钢材的最低允许工作温度应高于无塑性转变温度。
（注意与NDT无损探伤试验相区别）试样在冲击断裂过程中是一个裂纹发生和发展的过程，如果塑变能够发生在断裂的前面，阻止裂纹的扩展而裂纹的继续发展就需要消耗更多的能量。
因此冲击韧性的高低取决于材料有无迅速塑性变形的能力。
a k值对材料内部组织及缺陷较其他方法更为敏感，能够灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的变化。
此外冲击实验迅速、方便，所以是质量检验的有效方法。
例如：对白点、温度敏感（时效冲击）。
②断裂韧度由于在高强度材料中时常发生低应力脆性断裂。
实际上材料远非是均匀的、连续的各向同性的其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等缺陷可看作是裂纹，在外力作用下，在裂纹尖端附近便出现应力集中，根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，应力场的强弱主要取决与一个力学参数——应力强度因子K I当拉应力逐渐增大或裂纹逐渐扩展时，K I也随之增大，当K I增大到某一临界值时，试样中的裂纹会突然失稳扩展，导致断裂。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
（4）应变速率对材料的塑性变形、断裂及有关力学性能 有很大影响 冲击瞬时作用于位错上的应力很高 应力水平高 塑性变形难于充分进行 内部的塑性变形不均匀。
第二节 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。 用标准试样的冲击吸收功表示，Ak。单位，J 2、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。
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率 （相对形变速率）应变速率
έ=de/dτ (e为真应变)
单位时间内应变的变化量——应变率 静拉伸试验 冲击试验
έ=10-5～10-2 s-1 έ=102～104 s-1
一般情况下， έ=10-4～10-2 s-1，金属力学性能没有明显变化， 可按静载荷处理；
冲击吸收功－温度关பைடு நூலகம்曲线：
fcc金属（Cu、Al）材料在很低的温度下韧性仍比较高； 材料在很宽的试验温度范围内都是脆性的，如淬火高 碳马氏体钢； 材料在一定温度区间内产生低温脆性转变，如bcc金属 及其合金、某些hcp金属及其合金，许多铁素体－珠光 体钢（工程上使用的低碳钢）； bcc金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力对温度 变化非常敏感及迟屈服现象有关。
3、外部因素
(1)温度 钢的“蓝脆”温度（钢的氧化色为蓝色） 静载荷：230~370℃ 冲击载荷：525～550℃ C．N原子扩散速率增加，易于形成柯氏气团。 (2)加载速率 加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度tk ↑; (3)试样尺寸和形状 试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）; 带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。
二、 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
工程材料力学性能 第三章
❖ 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示 材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力 学性能。
动、空气阻力以及轴承与测量
机构的摩擦消耗。
二 冲击韧性Ak:
❖ 1. Ak无明确的物理意义。 Ak除以缺口处的截面积，表示单位面积的平均值， 变成了纯粹的数学量 。
❖ 2.Ak相同的材料，韧性并不相同。 ❖ 3.Ak作为承受大能量冲击抗力指标或用来评定构件
寿命与可靠性的结构性能指标。
三.冲击弯曲试验主要用途 优点：测量迅速简便，所以冲击韧性 AK列为五大指 标之一 。
❖ 冷脆：指材料因温度的降低导致冲击韧性的急剧 下降并引起脆性破坏的现象。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料 对大能量冲击破坏的缺口敏感性。
如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： 4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性 一、 低温脆性 低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo
不能对比。
1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， ❖ 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单
位为J。
❖ 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Ak 表示。
❖ 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部
分功消耗于试祥扔出、机身振
❖ 当应变率大于10－2S-1时，力学性能显著变 化.
❖ 冲击力学性能试验方法揭示金属材料冲击 时的脆断趋势
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。
工程材料力学性能 第三版课后题答案(束德林)
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生100％弹性变所需的应力。
σ规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
（2）rσ名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生0.2％的塑性形变对应的应力作为屈2.0服强度或屈服极限。
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
金属冲击试验实验报告
一、实验目的1. 了解金属冲击试验的基本原理和方法。
2. 通过冲击试验，测定金属在不同温度下的冲击吸收功，分析其冲击韧性和韧脆转变温度。
3. 比较不同金属的冲击性能，为金属材料的应用提供参考。
二、实验原理金属冲击试验是一种常用的力学性能试验方法，用于测定金属在冲击载荷作用下的力学性能。
冲击试验原理如下：1. 冲击试验采用摆锤冲击试验机进行，摆锤的势能转化为试样的冲击能，使试样在冲击过程中产生断裂。
2. 试样在冲击过程中吸收的能量称为冲击吸收功（Ak），其计算公式为：Ak = 1/2 mgh，其中m为摆锤质量，g为重力加速度，h为摆锤高度。
3. 通过测定冲击吸收功，可以分析金属的冲击韧性和韧脆转变温度。
三、实验材料与设备1. 实验材料：低碳钢、T8钢、工业纯铁。
2. 实验设备：金属摆锤冲击试验机、游标卡尺、温度计、冲击试样。
四、实验步骤1. 准备试样：将实验材料加工成标准冲击试样，试样尺寸符合GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》的要求。
2. 设置试验参数：根据实验要求，调整冲击试验机的摆锤能量和冲击速度。
3. 进行冲击试验：将试样放置在冲击试验机的支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间。
调整摆锤高度，使摆锤获得一定的势能，然后释放摆锤进行冲击试验。
4. 测量冲击吸收功：记录摆锤冲击试样后剩余的高度，计算冲击吸收功。
5. 测量试样温度：在冲击试验过程中，实时测量试样温度，分析金属的韧脆转变温度。
五、实验结果与分析1. 冲击吸收功：根据实验数据，绘制不同金属在不同温度下的冲击吸收功曲线，分析其冲击韧性和韧脆转变温度。
2. 冲击韧度：根据冲击吸收功，计算不同金属的冲击韧度，比较其冲击性能。
3. 韧脆转变温度：根据冲击吸收功曲线，确定不同金属的韧脆转变温度。
六、实验结论1. 低碳钢、T8钢和工业纯铁在不同温度下的冲击吸收功存在明显差异，说明不同金属的冲击性能存在差异。
2. 低碳钢的冲击韧度最高，T8钢次之，工业纯铁最低。
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。
第03章-金属在冲击载荷下的力学性能.复习进程
§3.3 低温脆性及韧脆转变温度
一、低温脆性现象 低温下，材料的脆性急剧增加。
esp.,对压力容器、桥梁、汽车、船舶的 影响较大。
实质为温度下降，屈服强度急剧增加 。
F.C.C金属，位错宽度比较大，一般 不显示低温脆性。
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二、韧脆转变温度
判断标准 冲击能量 低阶能对应的t1－NDT（无塑性或零塑性转变
图中各条曲线对应不同裂纹尺寸的σc –t曲线。 AC线，小裂纹的的σc –T曲线，位于σs线以上； BC线，长裂纹的σc –T曲线，与σs点相交于B点-对 应的温度即为FTE（弹性断裂转变温度 ）。 C点对应的坐标为σb和FTP（塑性断裂转变温度）。 因为在NDT附近有一不发生脆性破坏的最低应力， 于是得到A’点。 A’BC线-断裂终止线（CAT），表示不同应力水平 下脆性断裂扩展的终止温度。
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。这样冲击弹性 变形总能紧跟上冲击外力的变化
2
二、影响冲击性能的微观因素
（1）位错的运动速率↑，派纳力增大，滑移临界切应力↑，金属产 生附加强化。参见图1-12.
（2）同时开动的位错源增加，增加位错密度，提高滑移系数目，塑变 极不均匀，限制了塑性变形的发展，导致屈服强度提高（多）、抗 拉强度提高（少）。参见图1-12.
•
材料塑性与 之间无单值依存关系。大多情况下，冲击时的塑性比 静拉伸的要低。高速变形时，某些金属可显示较高塑性（如密排六 方金属爆炸成型）
•
塑性和韧性随 提高而变化的特征与断裂方式有关。 如在一定加载规范和温度下，材料产生正断（因为切变抗力增加很大
）则，则随c断裂应•↗力而↗ c，变但化塑不性大可，能塑不性变随，• 也↗可而能↘。提如高材。料产生切断，
工程材料力学性能-第三版课后题答案(束德林)
Rr0.2 规定残余延伸率为 0.2％时的应力。
Rt0.5 规定总延伸率为 0.5％时的应力。
（3）Rm 抗拉强度，只代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。 （4）n 应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。 （5）A 断后伸长率，是试样拉断后标距的残余伸长（Lu-L0）与原始标距 L0 之比的百分率。
13、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、
2
大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。
14、板材宏观断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 答：板状矩形拉伸试样断口中呈人字纹花样。根据人字纹花样的放射方向，顺着尖顶指向可以找到裂纹源。 15、试证明，滑移相交产生微裂纹的柯垂耳机理对 fcc 金属而言在能量上是不利的。 答：
脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。 2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生 100％弹性变所需的应力。 （2） r 规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。 0.2 名义屈服强度（点），对没有明显屈服阶段的塑性材料通常以产生 0.2％的塑性形变对应的应力作为屈
强度提高。 22、裂纹扩展扩展受哪些因素支配？ 答：裂纹形核前均需有塑性变形;位错运动受阻,在一定条件下便会形成裂纹。 23、试分析能量断裂判据与应力断裂判据之间的联系。 答：格林菲斯能量判据是裂纹扩展的必要条件(必须满足)，但不是充分条件(满足能量条件不一定扩展)。充分条件(应力
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
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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。
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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。
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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。
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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。
第三章冲击载荷下力学性能
3.1 冲击载荷下金属变形与断裂特点
3.1.1 几个概念 加载速率：指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来表示。
dσ/dt ，单位为MPa／s。 变形速率：单位时间内的变形量。
绝对变形速率：单位时间内试件长度的增 长率V=dl/dt，单位为m／s。
相对变形速率：应变速率，ε=de/dt，单位为 s-1。
Ak 冲击功， An 净断面积。
V型缺口：冲击韧性值：aKV = AK /An 。
3.2.1 冲击试样
3.2.3 缺口冲击韧性的意义及应用
缺口试样的断裂可能经历三个阶段：裂纹
缺口试件的冲击断裂可能要吸收三部分能量：
裂纹形成能、亚临界扩展能、断裂能。
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击
功AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按
一定的方法确定韧脆转化温度。
能量法：有下列几种：
(1)以V型缺口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N M) 对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。
c.增加镍含量，细化晶粒，形成低碳马氏体和回火索 氏体，消除回火脆性等，将降低韧脆转化温度；
d.增加钢中镍、铜含量，有利于提高低阶能．
具体用途有：
①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量 ，通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中 夹渣、气泡、偏析、严重分层等冶金缺陷和过热、 过烧、回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；
②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；
③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能 量冲击断裂的抗力，因而对某些在特殊条件 下服役的零件，如弹壳、防弹甲板等，具有 参考价值：
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↑。
材料力学性能第三章
弹性变形以介质中的声速传播。 ●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械
冲击时的绝对变形速率在10 ／ 以下 以下。 冲击时的绝对变形速率在 3m／s以下。在弹 性变形速率高于加载变形速率时， 性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率 对金属的弹性性能没有影响。 对金属的弹性性能没有影响。
●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑 塑性变形发展缓慢，若加载速率较大， 性变形不能充分进行。 性变形不能充分进行。 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面 静载: 积。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 形状和体积有关。
3.3 低温脆性
1.低温脆性概述 1.低温脆性概述 金属材料的强度 强度一般均随温度的降低而升 强度 高，而塑性 塑性则相反。 塑性 一些具有体心立方晶格的金属及合金或某 些密排六方晶体金属及合金，当温度降低到某 一温度Tk时，由韧性状态变为脆性状态。这种 现象称为低温脆性 低温脆性。转变温度Tk称为韧脆转变 低温脆性 韧脆转变 温度，又称冷脆转变温度 冷脆转变温度。 温度 冷脆转变温度 Tk δ ψ Ak和NSR 被称为材料的安全性指标 NSR 而σs σb δ Ψ和Ak被称为材料常规力学性能的五大指标
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度 屈服强度和断裂强度 随温度降低而变化的速率问题。 随温度降低而变化的速率问题 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快， 而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tk以下， σs>σc，金属在没有塑性变形的情况下发生断 裂，即表现为脆性的； 而在Tk以上，σs<σc，金属在断裂前发生塑 性变形，故表现为塑性的。
③将高阶能开始降低的温 度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温 度高于FTP，试件的断口 为100％的纤维状断口。
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§3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
三、外部因素 1、温度 钢的“蓝脆” 钢的氧化色为蓝色）。 钢的“蓝脆” （钢的氧化色为蓝色）。 原子扩散速率增加，形成柯氏气团。 C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。 2、加载速率 加载速率↑ 脆性↑ 韧脆转变温度t 加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度tk ↑; 3、试样尺寸和形状 试样增厚， 表面上的拉压应力最大） 带缺口， 试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）;带缺口， 不带缺口； 不带缺口；
§3.3 低温脆性
(2)能量标准: (2)能量标准:以某一固定能量来确定tk 能量标准 NDT（无塑性或零塑性转变温度）：在其下， ）：在其下 1）NDT（无塑性或零塑性转变温度）：在其下，断口由 100%结晶区（解理区）组成 100%结晶区（解理区） 结晶区 FTP：高于其，得到100% 100%纤维状断口 2）FTP：高于其，得到100%纤维状断口 FTE： 3）FTE：以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk
§3.3 低温脆性
一、低温脆性现象 低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态 ——随温度降低 随温度降低， 转变为脆性状态的现象 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧 冷脆： 下降并引起脆性破坏的现象 低温脆性产生原因： 低温脆性产生原因：屈服强度随温度降低 急剧增加 如图： 如图：高于tk时，σc>σs，材料受载后先 屈服再断裂，为韧性断裂； 屈服再断裂，为韧性断裂； 外加应力先达到σ 低于tk时，外加应力先达到σc ，表 现为脆断
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
2、冲击弯曲试验的应用 缺口冲击试验最大的优点就是测量 迅速简便 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、 1）用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处 理等热加工工艺的质量。 理等热加工工艺的质量。 用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。 ）。设 2）用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设 计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。 计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。 三、冲击断口 纤维区、放射区、剪切唇三个区。 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 若试验材料具有一定的韧性， 纤维区—放射区 纤维区—剪切唇 放射区—纤维区 剪切唇。 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， ∵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。 应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。 形成纤维区。 ∴形成纤维区。
§3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
二、冶金因素 （1）溶质元素 间隙原子，使韧性↓ 间隙原子，使韧性↓。 置换式溶质， 置换式溶质，对韧性影响不明显 杂质元素S As、Sn、 使韧性↓ 杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性↓ （2）显微组织 a）晶粒大小 b）金相组织 回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性↓ 回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性↓。 第二相（大小、形态、数量、分布） 第二相（大小、形态、数量、分布）
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
一、冲击的特点 （1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 吸收的冲击能测不准。 （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。 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， 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。 能量守恒法计算。 材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。 （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 4982m/s（＞声速） 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。 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性及其作用 材料在冲击载荷作用下， 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。 断裂功的大小。 常以标准试样的冲击吸收功（ 常以标准试样的冲击吸收功（AK）表示 单位， 单位，J/cm2；或kgf/cm2 2、作用 揭示冶金缺陷的影响； （1）揭示冶金缺陷的影响； 大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 评定低温脆性倾向。 （3）评定低温脆性倾向。
§3.3 低温脆性
——韧性指标 二、韧脆转变温度（tk）——韧性指标 韧脆转变温度（ 1、测试 在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据吸收功、 在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据吸收功、塑 性变形量或断口形貌随温度的变化作出曲线， 性变形量或断口形貌随温度的变化作出曲线，求出tk (1)按断口形貌特征 按断口形貌特征: (1)按断口形貌特征: 通常取结晶区占整个断口面积50 50％ 通常取结晶区占整个断口面积50％的温度为tk，记 FATT50或50％FATT（断口形貌转换温度） 为FATT50或50％FATT（断口形貌转换温度）
§3.3 低温脆性
2、按tk的高低来选择材料 来判定其最低使用温度） （或根据材料的 tk来判定其最低使用温度） t0＝ tk +（40～60）℃ 40～60） 如图
§3.3 低温脆性
三、落锤试验和断裂分析图(简称FAD) 落锤试验和断裂分析图(简称FAD) 落锤试验——测定全厚钢板的NDT ——测定全厚钢板的 1、落锤试验——测定全厚钢板的NDT 原理：选用不同的温度进行系列试验，测出试样（ 原理：选用不同的温度进行系列试验，测出试样（厚度 与实际板厚相同）开裂的最高温度（NDT） 与实际板厚相同）开裂的最高温度（NDT） 如试验温度低于NDT， 如试验温度低于NDT，则 NDT 裂纹就可自拉伸面横穿板 的宽度直至边缘，NDT是 的宽度直至边缘，NDT是 产生无塑性破坏的最高温 度 。 目前NDT NDT已成为低强度钢 目前NDT已成为低强度钢 构件防止脆性断裂设计根 据的一部分。 据的一部分。
§3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
一、晶体学特性 晶体结构： 晶体结构： f.c.c不存在低温脆性 不存在低温脆性。 f.c.c不存在低温脆性。 b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。 b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。 和某些h.c.p的低温脆性严重 位错： 位错： 位错宽度大，不显示低温脆性。 位错宽度大，不显示低温脆性。 层错能↑ 韧性↑ 层错能↑，韧性↑。 形成柯氏气团，韧性↓。 形成柯氏气团，韧性↓
第3章 金属在冲击载荷下 金属在冲击 冲击载荷下 的力学性能
引言 §3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 §பைடு நூலகம்.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性及韧脆转变温度 §3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
引言
冲击载荷：加载速率高，应变率大于10 /s， 冲击载荷：加载速率高，应变率大于10-2/s，金属力学 性能会发生显著变化 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度 加载速率：指载荷施加于试样或机件时的速率， 加载速率：指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 应变率： 应变率：单位时间内应变的变化量 提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大， 提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击 力学性能试验可以揭示金属材料在高应变率下的脆断趋势。 力学性能试验可以揭示金属材料在高应变率下的脆断趋势。
§3.3 低温脆性
2、断裂分析图(简称FAD) 断裂分析图(简称FAD) 表示了许用应力 缺陷和温度三个参数之间的关 许用应力、 表示了许用应力、缺陷和温度三个参数之间的关 明确提供了低强度钢构件在温度、 系，明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷 联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。 联合作用下脆性断裂开始和终止的条件。
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
二、影响冲击性能的微观因素 位错的运动速率↑ 滑移临界切应力↑ （1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，产生 附加强化 同时开动的位错源增加。 （2）同时开动的位错源增加。 屈服强度提高得较多。 ∴屈服强度提高得较多。 内部的塑性变形不均匀。 （3）内部的塑性变形不均匀。 材料塑性和应变率之间无单值依存关系。在大多数情况下， 材料塑性和应变率之间无单值依存关系。在大多数情况下， 塑性降低。在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性。 塑性降低。在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性。 塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。 塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。 正断：断裂应力变化不大， 正断：断裂应力变化不大，塑性随应变率增加而减小 切断：断裂应力随应变率提高显著增加， 切断：断裂应力随应变率提高显著增加，塑性可能不变或提高
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
二、冲击弯曲试验 摆锤冲击试验机 试样缺口位于冲击相背方向， 试样缺口位于冲击相背方向， 摆锤轴线与缺口中心线一致 Ak=mg(H1-H2) （ J ） 摆锤冲击试验时的速度约为 每秒5 应变速率约为10 每秒5米，应变速率约为103S-1。 试样：夏比U型缺口（ 试样：夏比U型缺口（AkU） 夏比V型缺口（ 夏比V型缺口（AkV） 注意：铸铁或工具钢等脆性材料， 注意：铸铁或工具钢等脆性材料， 常采用无缺口冲击试样 10×10×55mm） （10×10×55mm）