第03章 金属在冲击载荷下的力学性能
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温度达到tk时材料由韧性转变成脆性，冲击吸收功明显
降低；
断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理型
断口形貌由纤维状转变为结晶状
对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
第三章
12
无缺口
缺口 断裂强度
屈服强度
O
tk1
tk2
t
力学本质： （1）t tk ， 材料先屈服后断裂，韧性断裂； （2） t tk ，材料脆性断裂。 物理本质：低温下位错阻力增大的结果
第三章
金属在冲击载荷下的力学性能
第三章
1
引言 §3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点 §3.2 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因素
第三章
2
引言
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅
度和频率）
应变速率 =de/dt 静拉伸试验 =10-5～10-2 s-1 冲击试验 =102～104 s-1 爆 炸
（1）能量法定义 （2）断口形貌定义
第三章
15
§3.4 影响韧脆转变温度的因素
1、晶体学特性
晶体结构：
fcc不存在低温脆性。 bcc和某些hcp的低温脆性严重。 位错： 位错宽度大，不显示低温脆性。 层错能↑，韧性↑。 形成柯氏气团，韧性↓。
第三章
16
2、冶金因素
（1）溶质元素 间隙原子，使韧性↓。 臵换式溶质，对韧性影响不明显 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↓。 第二相（大小、形态、数量、分布）
3、冲击载荷对金属断裂的影响
（1）对于切断材料（塑性材料），冲击载荷下断裂应力 随应变速
率增大显著增加，塑性可能不变，也可能提高（密排六方金属爆
炸成型！）； （2）对于正断材料（脆性和低塑性材料！），冲击载荷下断裂应
力变化不大，塑性随应变率增大而减小。
第三章
6
4、冲击断口
同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区， 若试验
第三章
17
3、外部因素
（1）温度 钢的“蓝脆” 525～550℃（钢的氧化色为蓝色）。 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。 （4）应力状态 越大，材料韧性越低， tk越高 （5）应变硬化 使屈服强度增大， tk增大。 （6）材料纯度 提高纯度可以降低甚至消除低温脆性
冲击载荷 位错运动速率增大 晶格阻力（派纳力）增 大 位错滑移 的临界切应力增大 金属产生附加强化（屈 服强度、流变应力、抗 拉强度）
第三章
5
塑性变形不均匀性
冲击载荷 位错源同时开动 抑制易滑移 增加位错密度和滑移系 数量 减少位错运动平均自由 程、增加点缺陷浓度 塑性变形极不均匀
第三章
18
课后作业
第二章 P.55
1.(1)～(3) 5. 8.(1) ～(3); (8) ～(10) 第三章 P.65 1.(1) ～(4) 4. 5. 6. 7.
第三章
19
第三章
20
第三章
8
2、冲击试验
第三章
9
（1）夏比冲击
（艾氏冲击，试片之固定方式及试片之形状、尺寸与夏比冲击有所差异）
夏比冲击试样的缺口有U形和V形，冲击韧性为Aku、AKV；铸 铁110×20×20 mm3，跨距70 mm，无缺口。
m
简 支 梁 冲 击
冲击试验原理
冲击试样的安放
10
第三章
冲击吸收功： AK mgH1 mgH 2
2、冲击载荷对金属变形的影响
（1）冲击载荷对弹性变形的影响
第三章
4
金属中弹性变形的速率为4982 m/s，普通摆锤冲击试 验绝对变形速率5～5.5 m/s，对弹性变形无影响。 （2）冲击载荷对塑性变形的影响 塑性变形发展缓慢，如果加载速率较大，则塑性变形 来不及充分进行，因此加载速率对与塑性变形和断裂有关 的力学性能有显著的影响。 产生附加强化
材料具有一定韧性，可形成两个纤维区，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，应力状
态发生变化，裂纹扩展速度 再次减小，形成纤维区。 返回
第三章
7
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
1、冲击韧性及其作用 （1）定义
材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功 的大小，单位J/cm2， 或kgf/cm2 （2）作用 揭示冶金缺陷的影响 对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性 评定低温脆性倾向。
不明显
第三章
Leabharlann Baidu
13
微观机理 （1）断裂微观机理：由微孔聚集型韧性断裂转变为冷脆 穿晶解理断裂； （2）bcc金属中C、N间隙原子在位错区形成柯氏气团， 增加了位错运动的阻力。 （3）低温脆性还可能与迟屈服现象有关
（屈服塑性变形需要一定的时间，在屈服之前只有弹性 变形，容易出现脆性断裂！）
第三章
14
2、确定韧脆转变温度tk
AKU ( AKV ) 冲击韧度： KU ( KV ) SN
（2）小能量多冲击 磨球的冲击等 单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂 （3）落锤试验 模拟试验，半定量测定材料的性能。
返回
第三章
11
§3.3 低温脆性及韧脆转变温度
1、低温脆性现象
（1）材质：bcc、部分hcp金属及合金，fcc金属位错宽 度比较大，一般不显示低温脆性。 （2）特征：
=104~106s-1
一般情况下 =10-4～10-2 s-1，可按静载荷处理。
第三章
3
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
1、冲击失效的特点
（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 （2）吸收的冲击能测不准。 时间短，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。
降低；
断裂机理由微孔聚集型转变为穿晶解理型
断口形貌由纤维状转变为结晶状
对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
第三章
12
无缺口
缺口 断裂强度
屈服强度
O
tk1
tk2
t
力学本质： （1）t tk ， 材料先屈服后断裂，韧性断裂； （2） t tk ，材料脆性断裂。 物理本质：低温下位错阻力增大的结果
第三章
金属在冲击载荷下的力学性能
第三章
1
引言 §3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点 §3.2 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因素
第三章
2
引言
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅
度和频率）
应变速率 =de/dt 静拉伸试验 =10-5～10-2 s-1 冲击试验 =102～104 s-1 爆 炸
（1）能量法定义 （2）断口形貌定义
第三章
15
§3.4 影响韧脆转变温度的因素
1、晶体学特性
晶体结构：
fcc不存在低温脆性。 bcc和某些hcp的低温脆性严重。 位错： 位错宽度大，不显示低温脆性。 层错能↑，韧性↑。 形成柯氏气团，韧性↓。
第三章
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2、冶金因素
（1）溶质元素 间隙原子，使韧性↓。 臵换式溶质，对韧性影响不明显 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↓。 第二相（大小、形态、数量、分布）
3、冲击载荷对金属断裂的影响
（1）对于切断材料（塑性材料），冲击载荷下断裂应力 随应变速
率增大显著增加，塑性可能不变，也可能提高（密排六方金属爆
炸成型！）； （2）对于正断材料（脆性和低塑性材料！），冲击载荷下断裂应
力变化不大，塑性随应变率增大而减小。
第三章
6
4、冲击断口
同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区， 若试验
第三章
17
3、外部因素
（1）温度 钢的“蓝脆” 525～550℃（钢的氧化色为蓝色）。 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。 （4）应力状态 越大，材料韧性越低， tk越高 （5）应变硬化 使屈服强度增大， tk增大。 （6）材料纯度 提高纯度可以降低甚至消除低温脆性
冲击载荷 位错运动速率增大 晶格阻力（派纳力）增 大 位错滑移 的临界切应力增大 金属产生附加强化（屈 服强度、流变应力、抗 拉强度）
第三章
5
塑性变形不均匀性
冲击载荷 位错源同时开动 抑制易滑移 增加位错密度和滑移系 数量 减少位错运动平均自由 程、增加点缺陷浓度 塑性变形极不均匀
第三章
18
课后作业
第二章 P.55
1.(1)～(3) 5. 8.(1) ～(3); (8) ～(10) 第三章 P.65 1.(1) ～(4) 4. 5. 6. 7.
第三章
19
第三章
20
第三章
8
2、冲击试验
第三章
9
（1）夏比冲击
（艾氏冲击，试片之固定方式及试片之形状、尺寸与夏比冲击有所差异）
夏比冲击试样的缺口有U形和V形，冲击韧性为Aku、AKV；铸 铁110×20×20 mm3，跨距70 mm，无缺口。
m
简 支 梁 冲 击
冲击试验原理
冲击试样的安放
10
第三章
冲击吸收功： AK mgH1 mgH 2
2、冲击载荷对金属变形的影响
（1）冲击载荷对弹性变形的影响
第三章
4
金属中弹性变形的速率为4982 m/s，普通摆锤冲击试 验绝对变形速率5～5.5 m/s，对弹性变形无影响。 （2）冲击载荷对塑性变形的影响 塑性变形发展缓慢，如果加载速率较大，则塑性变形 来不及充分进行，因此加载速率对与塑性变形和断裂有关 的力学性能有显著的影响。 产生附加强化
材料具有一定韧性，可形成两个纤维区，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，应力状
态发生变化，裂纹扩展速度 再次减小，形成纤维区。 返回
第三章
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
1、冲击韧性及其作用 （1）定义
材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功 的大小，单位J/cm2， 或kgf/cm2 （2）作用 揭示冶金缺陷的影响 对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性 评定低温脆性倾向。
不明显
第三章
Leabharlann Baidu
13
微观机理 （1）断裂微观机理：由微孔聚集型韧性断裂转变为冷脆 穿晶解理断裂； （2）bcc金属中C、N间隙原子在位错区形成柯氏气团， 增加了位错运动的阻力。 （3）低温脆性还可能与迟屈服现象有关
（屈服塑性变形需要一定的时间，在屈服之前只有弹性 变形，容易出现脆性断裂！）
第三章
14
2、确定韧脆转变温度tk
AKU ( AKV ) 冲击韧度： KU ( KV ) SN
（2）小能量多冲击 磨球的冲击等 单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂 （3）落锤试验 模拟试验，半定量测定材料的性能。
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第三章
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§3.3 低温脆性及韧脆转变温度
1、低温脆性现象
（1）材质：bcc、部分hcp金属及合金，fcc金属位错宽 度比较大，一般不显示低温脆性。 （2）特征：
=104~106s-1
一般情况下 =10-4～10-2 s-1，可按静载荷处理。
第三章
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§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
1、冲击失效的特点
（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 （2）吸收的冲击能测不准。 时间短，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。