第3章 材料在冲击载荷下的力学性能.

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冲击韧性的应用：经验数据，参考价值 举例： 调质处理的45＃钢Ak＝78J/cm2，而球墨铸 铁Ak＝15J/cm2。单纯从数值上看，球墨铸 铁冲击韧性值远小于45＃钢。然而它们都具 有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料 使用。 AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指 标，具有“不可设计性”。只能作为经验 数据使用。
TLC-300落锤冲击试验机
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第三节 低温脆性
试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉 的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行 打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生 如下变化： 没有出现裂纹→拉伸侧表面形成裂纹，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。
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第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 定义： 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，特别是工程上常用的中、低强 度结构钢（铁素体——珠光体钢）， 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， 断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特 征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
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第三节 低温脆性
右图是建造中的 Titanic 号。 Gannon 的文章指出， 在水线上下都由10 张 30 英尺长的高含硫量 脆性钢板焊接成300 英尺的船体。 船体上可见长长的焊 缝。船在冰水中撞击 冰山而裂开时，脆性 的焊缝无异于一条 300英尺长的大拉链， 使船体产生很长的裂 纹，海水大量涌入使 船迅速沉没。 建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长 这是钢材韧性与人身 的焊缝 安全的一个突出例证。
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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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冲击断口
•冲击断口包含纤维区、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1—放射区—纤维区2—剪切唇 •纤维区2（红色区域）形成原因：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， 最终形成纤维区2。
冲击断口形貌示意图
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第一节 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。
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第三节 低温脆性 珠光体的定义：
当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中 渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时， 该合金的相变是在恒温下实现的。 也就是说这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在 发生相变时，如果消失两者同时消失，如果出现 则两者同时出现，在这一点上这种组织与纯金属 的相变类似。 基于以上原因，人们就把这种由特定比例构成的 两相组织当作一种组织来看，命名为珠光体，这 种钢就叫做共析钢。 所以碳含量正好为0.77%的钢就叫做共析钢，它 的组织结构是珠光体。 18
落锤试验机示意图
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第三节 低温脆性
落锤试验机实物图
TLC-300落锤冲击试验机适用于热塑 性塑料管材、管件和硬质塑料板材的 耐冲击试验。 最大冲击能量 300J 最大冲击高度 2m 标尺误差 ±１％ 落锤组合质量 最大组合质量15KG ± 0.1% 冲头规格： A R=10mm B R=20m C R= 5mm BB R=30mm 冲击中心与夹具中心偏差不大于 2mm 电动提升机构 最大提升力20kgf 牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf 管材V型托板 200×300×25mm3 试样尺寸 直径20-400mm
11ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
冲击弯曲试验的主要用途有两点：
(1) 控制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样品进行断口分析，可揭示原料 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、回火脆性等锻造或热处理缺陷。
(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得Ak 与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。
主讲人: 张宁
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第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点 二、冲击弯曲和冲击韧性 三、低温脆性 四、影响韧脆转变温度的冶金因素
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第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
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 加载速率定义： 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 本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行 为特点，主要讨论缺口试样冲击弯曲试验 方法和金属材料的低温脆性。
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第三节 低温脆性
1. 按能量定义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不 随温度变化，形成一个平台， 该能量称为“低阶能”。 (2) 高于某一温度时，材料 吸收的温度基本不变，出现 一个上平台，称为“高阶 能”。 (3) 以低阶能和高阶能平均 值对应的温度定义tk ，记为 FTE（Fracture Transition Elastic）。
第三节 低温脆性 低温脆性现象
对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。 低温脆性实质为温度下降，屈服强度急剧增加。 F.C.C金属，一般不显示低温脆性。如低碳钢为 体心立方金属，有低温脆性；而奥氏体钢为面心 立方金属，无低温脆性。
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第三节 低温脆性
1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没 于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出 遗物。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“。 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈 脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
载 荷 Pmax PF PGY PD 位移
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冲击断裂过程
载荷达到PF后，裂 纹迅速以解理断裂方 式快速扩展，在材料 中形成“放射形结晶 状区”；这时材料承 载面积迅速减小，载 荷也迅速降低到PD。 载荷达到PD后，裂 纹扩展到样品边缘， 产生平面应力状态， 形成剪切唇区。
载 荷 Pmax PF PGY PD 位移
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第三节 低温脆性
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件 服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承 载能力或截面尺寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越 大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧 性温度储备，也就是说具有一定的△值， △=t0-tk。
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第三节 低温脆性
同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化 （如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），tk也要 变化， 所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构 工况之间无直接联系，所以不能说明该材料制成的机 件一定在该温度下脆裂。
0 ℃=32 °F 37 ℃=98.6 °F
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第三节 低温脆性
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tk。
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第三节 低温脆性 二、韧脆转变温度
在不同温度下进行冲击弯曲试验， 根据试验结果作出冲击吸收功—温度曲线、 断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线， 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等， 根据这些曲线来求得tk。
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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。
冲击韧性的定义：
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，用标准试样的冲击吸收功Ak表示。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
试验在摆锤式冲击试验机上 进行。 试验过程： 将样品水平放在试验机的支 座上，缺口位于冲击相背的 方向。 然后将具有一定质量m的摆 锤举至一定高度H1，使其获 得一定位能mgH1。 释放摆锤冲断试样，摆锤的 剩余能量为mgH2，则摆锤冲 断试样失去的位能为mgH1mgH2，这就是试样变形和断 裂所消耗的功，称为冲击吸 收功，以Ak表示，单位为J。
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第三节 低温脆性 三、落锤试验和断裂分析图
50年代初，美国海军研究所派林尼（W. S. Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全 厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料 的性能标准。
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第三节 低温脆性
落锤试验机由垂直导轨 （支持重锤）、能自由下 落的重锤和砧座等组成， 见右图。 重锤锤头是一个半径为 25mm的钢制圆柱，硬度 不小于50HRC。 重锤可升到不同高度，以 获得340-1650J的能量。 砧座上除了两端的支承块 外，中心部分还有一个挠 度终止块，以限制试样产 生过大的塑性变形。
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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。
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第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
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。
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第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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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。
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
测量铁球或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用 10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆 程度：
这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破 断， 一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承 与测量机构中的摩擦消耗等。 通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线 与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机 上测得的Ak值相差10-30%。