第三章 材料在冲击载荷下的力学性能-2

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落锤冲击试验法:用于测定全厚钢板的NDT,即为零塑 性温度,用于材料的脆性转变温度。 试样的典型尺寸:25mm90mm 350mm、 19mm50mm 125mm、16mm50mm 125mm
落锤样坯
落锤试验过程
落锤样坯断裂形貌
3.3.6 影响韧脆转变温度的因素
(1)晶格类型的影响
(2)ky-------位错被第二相等钉扎的常数。对于BCC金属, Fe、Mo的 ky 高;Ni、Ti的 ky 低。在-Fe中,含N低碳 钢ky比C高。 ky随温度增加不明显。
(3)d-----晶粒直径/位错滑移距离。细晶冷脆转变温度。
(4)-----与应力有关的常数。对于扭转, =1;拉伸时 =0.5;缺口拉伸, 1/3。
•氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变 区中去,减少了它们对位错运动的钉扎作用。
•在钢中形成化合物的合金元素,如铬、钼、钛等, 是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变 温度的,它和热处理后的组织密切相关。Biblioteka (3)晶粒大小对TK的影响
• 晶界前塞积的位错数目较 少,有利于减少应力集中;
晶界对裂纹扩展有阻碍 作用。晶粒越细,则晶 界越多,阻碍作用越大。
晶界总面积增加,使晶界上杂质浓 度减少,避免产生沿晶脆性断裂又 提高了它的塑性和韧性。
形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法,在 提高材料强度的同时,总要降低一些塑性和韧性。
• 面心立方晶格金属塑性、韧性好,体心立方和密排六 方金属的塑性、韧性较差。
• 面心立方晶格的金属,如铜、铝、奥氏体钢,一般不 出现解理断裂而处于韧性状态,也没有韧-脆转变,其 韧性可以维持到低温。
• 体心立方晶格的金属,如铁、铬、钨和普通钢材,韧 脆转变受温度及加载速率的影响很大,因为在低温和 高加载速率下,它们易发生孪晶,也容易激发解理断 裂。
(J/cm2)
国家标准现已规定用k作为 韧性判据(梅氏)。
冲击断口 Impact fracture
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1—放射区—纤维区2—剪切唇。
纤维区2 (红色区域) 的形成原因:
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。 ∴形成纤维区2。
主要用于高强度螺栓 之类零件选材和热处 理工艺优化。
该钢经200 C低温 回火,b较高,但 对偏斜十分敏感, 表现为随偏斜角增 大,强度急剧下降。 经500 C高温回火, bn高于b ,但由于 塑性升高,使应力 分布均匀化,对偏 斜角度敏感性降低。
Static bending
试样在Pmax时形成裂纹,在P时裂纹扩展到临界尺寸 即失稳扩展而断裂
(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。
(4)高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆 转化温度,记为FTE(Fracture Transition Elastic Temperature) .
低温脆性现象
屈服强度s与断裂强度k 相交,交点对应的温度为 脆性转变温度Tk。
当T< Tk时, s > k ,随 着应力的增加,材料在发
生塑性变形之前就发生断 裂,属于脆性断裂;
当T> Tk时, k > s , 随着应力的增加,材料先
发生塑性变形,然后断裂, 属于塑性断裂。
低温脆性断裂包括穿晶脆断和沿晶界的晶间脆断两种断裂方 式。穿晶脆断主要是解理断裂。常见的低温脆性断裂大多数 是沿解理面的穿晶断裂;而晶间脆断通常在应力腐蚀或发生 回火脆性的情况下出现。
(2)化学成分对TK的影响
• 钢中含碳量增加,塑性变形抗力增加,不仅冲击韧 性降低,而且韧脆转变温度明显提高,转变的温度 范围也加宽了。
• 钢中的氧、氮、磷降低裂纹表面能,硅可限制交滑 移,促进出现孪生,都起着提高韧-脆转变温度的不 利作用。
•含硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降 低金元素的影响比较复杂,镍、锰以固溶状态存在, 降低韧脆转变温度,这可能与下列因素有关,提高了 裂纹表面能;
在低温下服役的零件,其最低工作温度T0应高于韧-脆 转化温度TK,这是韧性的温度储备----T=T0-TK。韧性温 度储备的大小取决于机件的重要程度。
3.3.4 落锤试验和断裂分析图
Drop -weight test Fracture analysis diagram (FAD)
普通冲击弯曲试验式样尺寸过小,不能反映实际构件中 应力状态,而且结果分散性大,不能满足一些特殊要求。
16Mn钢 在不同温度下的断口形貌 (C :0.17~0.24 Mn :0.70~1.00)
回火马氏体
低温脆性的本质
根据科垂耳提出的脆断条件:
影响韧脆转变温度本质上与以下因素有关: (1)i----位错在基体中运动点阵摩擦阻力。BCC金属,随 温度,派纳力。固溶强化、弥散强化、沉淀强化和应变 强化均使i ,
韧性材料冲击断口示意图
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冲击断裂过程
韧性材料冲击断口示意图
冲击断裂过程
韧性材料冲击断口示意图
系列冲击试验
奥氏体钢
低强度铁素体钢
冲击吸收功 Ak
高强度钢
Tk
温度 T
切口冲击韧性的意义及应用
切口试样的断裂可能经历三个阶段:裂纹在切口根部形 成,裂纹的亚临界扩展和最终断裂。切口试件的冲击断 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。 这些量均难以精确测定和计算,因此,Ak表示不具有明 确的物理意义。
•④评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
3.3 低温脆性---- Low temperature brittleness
金属材料的强度一般均随温度的降低而升高,而塑性 则相反。
一些具有体心立方晶格的金属,如Fe、 Mo和W,当温度 降低到某一温度时,由于塑性降低到零而变为脆性状态。
材料的冲击吸收功随温 度降低而降低,当试验 温度低于Tk(韧脆临界转 变温度)时,冲击吸收功 明显下降,材料由韧性 状态变为脆性状态,这 种现象称为低温脆性。
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:
带有切口的板条
因杆件外形突然变化而引起局部应力急剧增大的现象,称为应 力集中。 Stress concentration
板条在弹性变形以及塑性变形情况下受力分布 当圆孔边缘>s时,发生塑性变形。
1)对于薄板 Stress concentration factor
厚板发生弹性变形时,缺口根部的应力分布如何?
Ductile-brittle transition temperature
韧脆转化温度的评定 目的:根据冷脆转化温度进行选材
下图选用哪个材料较好?
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。
(1)位错运动速率增加,导致滑移临界切应力增大, 金属产生附加强化。
(2)位错源开动较多,抑制了晶粒内部易滑移阶段 产生和发展。
(3)位错密度和滑移系数目增加,出现孪晶,使塑 性变形难于充分进行。
因为:承载系统中各机件的刚度都会影响到冲击过程的 持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。这些量均难 以精确测定和计算。
第三章 缺口试样的力学性能
Mechanical properties of notched specimens
前言
“切口”(Notched specimen)-光滑( Smooth sample )
切口效应:应力集中、应力状态变硬和材料脆化。 二战事故分析的结论:
①脆断钢板,其夏比V型切口试件冲击 值AKV在10℃时低于15ft.lbf(20.34N.m); ②韧性钢板,其AKV值在10℃时高于 15ft.lbf。
冷脆转化温度的评定
高阶能FTP
V15TT 低阶能NDT
1.能量准则--- Energy principle
(1)以V型切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---实践经验 总结而提出的方法。
(2)图中的曲线有两个平台。上平台所对 应的能量称为高阶能,下平台所对应的 能量称为低阶能。将低阶能开始上升的 温度定义为韧-脆转化温度,记为NDT 称为零塑性温度。 在NDT以下,试件 的断口为100%的结晶状断。
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
Mechanical properties under impact
冲击载荷的特点: loading
可见,缺口试样在冲击载荷下,应变速率较高时,由于屈 服强度比抗拉强度提高较多,导致材料变脆。
虽然试验温度增加,抗拉强度下降,但是, 增加应变速率,依然可提高抗拉强度。
为什么?
缺口试样的静拉伸和静弯曲性能
缺口试样的静拉伸和静弯曲性能
Static tension of notched specimens
缺口拉伸试件
圆柱缺口试样的断裂过程
对应曲线1 对应曲线2、3 对应曲线6
Oblique tension
缺口试样偏斜静拉伸试验揭示了在恶劣应力状态下 的安全性能指标。垫圈的偏斜角有4和8两种。
2.断口形貌准则
试验证明,在不同试验温度下,
断口上三个区(纤维区、放射区(结晶区) 和剪切唇 )之间相对面积不同,温度
下降,结晶区的面积突然增大,材 料由韧变脆。
通常取结晶状断口面积占50%时的温度为韧脆转化温度, 记为50%FATT(Fracture Appearance Transition Temperature),或者记为FATT50。
切口冲击试验
切口为U型: 切口为V型: 试样安放位置
切口冲击韧性的测定
试验:质量m的摆锤,举 至高度H,势能mgH1;
锤释放,将试件冲断。摆锤 失去一部分能量,这部分能 量就是冲断试件所作的功, 称为冲击功,以Ak表示。
Impact toughness
剩余的能量使摆锤扬起高 度H2,故剩余的能量即为 mgH2。
Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2)
Ak的单位为Kgf.m或J。
切口冲击韧性的定义
• 材料的韧性是指材料在 塑性变形和断裂的全过程 中吸收能量的能力,它是 材料塑性和强度的综合表 现。
• 材料在冲击载荷作用 下抵抗破坏的能力称为冲 击韧度。
•摆锤冲击实验冲击韧度值 用公式表示:
k

Ak S0
材料脆 化原因
Material embrittlement
缺口 敏感性试验
Notch sensitivity test
静载荷 冲击载荷
缺口试样静拉伸 缺口试样静弯曲
轴向拉伸 偏斜拉伸
冲击弯曲 缺口试样系列冲击试验
落锤试验
一.缺口试样在静载荷下的力学性能
材料力学回顾
max
max
开有圆孔的板条
如果缺口前端发生屈服,根据屈雷 斯加判据则:
y-x=s
在缺口内侧: y=x+s
缺口强化能否作为强化金属材料的手段?
Notch effect
总结:平板在弹性和塑性变形状态下缺口效应比较: •相同:弹性状态和塑性状态下均会产生应力、应 变集中和三向应力状态,从而导致材料变脆; •不同:应力最大位置不同,且弹性状态下抗拉强 度降低,塑性状态下屈服强度、抗拉强度增大。
(5)s-----表面能或者+塑性变形功。 表面能γ和弹性模量E是决定断裂强度的主要因素。 温度对表面能γ和弹性模量E的影响不大,所以对断裂强 度影响不大。
韧脆转变本质: 温度降低对位错运动的阻碍程度
温度对屈服强度影响很大,主要是因为温度有助于激 活F-R位错源,有利于位错运动,使滑移易于进行。 普通碳钢在室温或高温下,断裂前有较大的塑性变形, 是韧断。 但低于某一温度,位错源激活受阻,难以产生塑性变 形,断裂便可能变为脆性的了。
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