材料的冲击韧性

材料的冲击韧性

一、冲击韧性的定义

冲击韧性：当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。若试件在缺口处的最小横截面积为A，则冲击韧性αk为：

式中αk的单位为J/cm2 。

冲击实验有两种：V型和U型，一般情况下V 型冲击功测的数据小于U 型的冲击功值。

钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。αk值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时，αk突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性

冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量,所以提高材料的冲击韧性的途径有:改变材料的成分,如加入钒,钛,铝,氮等元素,通过细化晶粒来提高其韧性,尤其是低温韧性;提高材料的冶金质量,减少偏析,夹渣等。

二、缺口冲击试验的应用

缺口冲击韧性试验的应用，主要表现在两方面：

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。

2．用来评定材料的冷脆倾向。而评定脆断倾向的标准常常是和材料的具体服役条件相联系的。在这种情况下所提出的材料冲击韧性值要求，虽然不是一个直接的服役性能，但应理解为和具体服役条件有关的性能指标。

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叫作冷脆。可将材料的冷脆倾向归结为3种类型，如图2-15所示。

三．冷脆转化温度的评定

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。在冷脆转化温度的确定标准

一旦建立之后，实际上是按照冷脆

转化温度的高低来选择材料。例如，

有两种材料A和B，在室温以上A

的冲击韧性高于B，但当温度降低

时，A的冲击韧性就急剧下降了，如

按冷脆转化温度来选择材料时应选

材料B，见图2-16。

(1)断口形貌特征:在这种类型时，使用得最多的称为断口形貌转化温度FATT，是根据断口上出现50％纤维状的韧性断口和50％结晶状态的脆性断口作标准的。和静拉伸断口一样，冲击试样断口一般也存在三个区域，见冲击试样断口形貌图。

(2)能量标准:以某一固定能量来确定脆化温度。

(3)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。

理论上讲，材料的脆性转变温度可通过实验进行测试，得到该种材料在不同温度下的冲击功，当相邻两冲击功下降到一半时所对应的温度可认为是该种材料的冷脆转化温度。当该种材料的使用环境温度大于冷脆转化温度，我们可认为该材料不会发生冷脆。

四、影响材料脆性断裂的冶金因素

1．材料成份:含碳量对钢的韧-脆转化曲线的影响见图2-18。随着钢中含碳量的增加，冷脆转化温度几乎呈线性地上升，且最大冲击值也急剧降低。钢的含碳量每增加0.1％，冷脆转化温度升高约为13.9℃。钢中含碳量的影响，主要归结为珠光体增加了钢的脆性。

2.晶粒大小:细化晶粒一直是控制材料韧性避免脆断的主要手段。理论与实验均得出冷脆转化温度与晶粒大小有定量关系。如图2-19所示。

3.显微组织:在给定强度下，钢的冷脆转化温度决定于转变产物。就钢中各种组织来说，珠光体有最高的脆化温度，按照脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，铁素体下贝氏体和回火马氏体。

五．结论

1.冲击功与温度之间没有近似的关系，不同的材料曲线变化不一致，即使是同种材料由于制作工艺、扎制方法不同曲线也不同，该曲线是通过实验测得，可近似为S形，每种材料的转折点各不相同，甚至相差很远。

2.理论上讲，材料的脆性转变温度可通过实验进行测试，得到该种材料在不同温度下的冲击功，当相邻两冲击功下降到一半时所对应的温度可认为是该种材料的冷脆转化温度。当该种材料的使用环境温度大于冷脆转化温度，我们可认为该材料不会发生冷脆。

3.冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量,所以提高材料的冲

击韧性的途径有: 1）改变材料的成分,如加入钒,钛,铝,氮等元素,通过细化晶粒来提高其韧性,尤其是低温韧性; 2）提高材料的冶金质量,减少偏析,夹渣等。

4.0°冲击功不能取代-20°冲击功。原因：0°冲击功即使定得再高也不能反映该种材料的低温冷脆性。任何一种钢材都有一个转折点，即一个上平台和下平台，当一但达到冷脆转化温度，材料会很快出现断裂。

5.0°冲击功和-20°冲击功在制作成本上基本相差不大，不同的是

-20°冲击功的材料在合金元素的控制、型材的扎制方向、制造质量稍微严格，当工艺稳定后上两种冲击功的材料在制作成本上应不会有太大的差异，仅仅是顺应市场上的要求规定了不同要求的冲击功有不同的价格。