第03章 金属在冲击载荷下的力学性能
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金属在冲击载荷下的力学性能
(2) 同一材料，使用同一定义方法，由于 外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度 和加载速率发生变化，tk也发生变化。
(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。
10/29
(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。
6/29
7/29
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。
(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。
金属在冲击载荷下的力学性能资料
金属在冲击载荷下的力学性能是材料科学的重要研究领域。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率，前者加载速率极高。在冲击载荷作用下，金属会经历弹性变形、塑性变形和断裂。材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。影响冲击性能的微观因素包括位错上的高应力、位错运动速率的增加以及显微观察显示的内部塑性变形不均匀。冲击韧性是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是评定材料缺口敏感性、低温脆性倾向的重要指标。低温脆性是指某些金属在低于特定温度时由韧性状态变为脆性状态，这与材料的屈服强度随温度降低而急剧增加有关。为了评价金属在低温下的脆性程度，采用低温系列冲击试验进行测试和评估，从而确定材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ韧脆转变温度。
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。
第03章 金属在冲击载荷下的力学性能
7
§3.2 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。 单位，J/cm2 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。
8
二、冲击试验
冲击实验机
9
摆锤5、10、15、30kg，试样尺寸 55×10×10mm，试样跨距45mm；无缺口， 有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。 铸铁（QT、白口铁） 110×20×20mm，跨距70mm，无缺口。
有联系。
24
建造中的 Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质
量直接有关
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Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右
图）的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
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冲击断口分析
27
材料：2Cr13 工艺情况：调质态，冲击试验
组织说明：冲击断口与拉伸断口相似， 也出现三个区，纤维区位于V型缺口一侧； 放射区与纤维区相连，放射源一般位于 纤维区的中部位置。剪切唇则位于试样 无缺口的其余三面。图中为具有三个区 的典型冲击断口形貌。若材料塑性足够 好，则放射区消失。
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31
3．合金元素及杂质：
置换方式固溶的元素一般均降低αK值，使TK上 升，并使冷脆转变区温度范围扩大(坡度变缓)， 但Ni及少量的Mn例外； 间隙方式固溶的元素均显著降低钢的韧性并强 烈地提高其TK； 杂质原子因在位错、晶界处的偏聚，阻碍位错 运动，或形成第二相质点成为裂纹源，且偏聚 程度随T℃降低而增加，表现为冷脆； 磷(P)是影响最大的杂质元素之一：P、S、As、 Sn、Sb
第03章 金属在冲击载荷下的力学性能
2
材料力学性能
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
断裂
降低塑性和韧性。 降低塑性和韧性。 而最后的断裂应力与断裂的方式有关。 而最后的断裂应力与断裂的方式有关。 在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低。 在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低。 但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性， 但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性，如密排六方金属爆炸成 形就是如此。 形就是如此。
11
材料力学性能
第三节 低温脆性
二、韧脆转变温度
12
材料力学性能
第三节 低温脆性
从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度t 是温度区间， 从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度tk是温度区间，而不是 固定的某一个温度t 这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据能 固定的某一个温度tk，这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据能 随温度的变化定义t 塑性变形或断口形貌随温度的变化定义 量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义tk。 FTP（ Plastic):得到100%纤维状断口 得到100% （1）FTP（Fracture Transition Plastic):得到100%纤维状断口 的温度（偏于保守）， ），有时该测定不可能实现 的温度（偏于保守），有时该测定不可能实现 NDT（ Temperature） 低阶能（ （2）NDT（Nil Ductility Temperature）:低阶能（低于某一个温 冲击吸收能不随温度变化）开始上升的温度（低于此温度时， 度，冲击吸收能不随温度变化）开始上升的温度（低于此温度时，冲击 断口为100%脆断口，解理断口） 100%脆断口 断口为100%脆断口，解理断口） FTE（ Elastic） （3）FTE（Fracture Temperature Elastic）:低价能和高阶能的 平均值所对应的温度。 平均值所对应的温度。 根据断口形貌定义t 根据断口形貌定义 k： FATT50，t50，50%FATT：通常以结晶区面积占整个断口面积 ， ， ：通常以结晶区面积占整个断口面积50%时的 时的 温度定义的t 温度定义的 k。
材料力学性能
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
断裂
降低塑性和韧性。 降低塑性和韧性。 而最后的断裂应力与断裂的方式有关。 而最后的断裂应力与断裂的方式有关。 在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低。 在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低。 但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性， 但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性，如密排六方金属爆炸成 形就是如此。 形就是如此。
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材料力学性能
第三节 低温脆性
二、韧脆转变温度
12
材料力学性能
第三节 低温脆性
从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度t 是温度区间， 从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度tk是温度区间，而不是 固定的某一个温度t 这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据能 固定的某一个温度tk，这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据能 随温度的变化定义t 塑性变形或断口形貌随温度的变化定义 量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义tk。 FTP（ Plastic):得到100%纤维状断口 得到100% （1）FTP（Fracture Transition Plastic):得到100%纤维状断口 的温度（偏于保守）， ），有时该测定不可能实现 的温度（偏于保守），有时该测定不可能实现 NDT（ Temperature） 低阶能（ （2）NDT（Nil Ductility Temperature）:低阶能（低于某一个温 冲击吸收能不随温度变化）开始上升的温度（低于此温度时， 度，冲击吸收能不随温度变化）开始上升的温度（低于此温度时，冲击 断口为100%脆断口，解理断口） 100%脆断口 断口为100%脆断口，解理断口） FTE（ Elastic） （3）FTE（Fracture Temperature Elastic）:低价能和高阶能的 平均值所对应的温度。 平均值所对应的温度。 根据断口形貌定义t 根据断口形貌定义 k： FATT50，t50，50%FATT：通常以结晶区面积占整个断口面积 ， ， ：通常以结晶区面积占整个断口面积50%时的 时的 温度定义的t 温度定义的 k。
第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能.
具有面心立方结构的金属材料如Cu、Al等的屈服强
度随温度的降低不发生明显的升高，屈服强度总是
低于断裂强度，所以冷脆倾向不明显。
微观上，体心立方晶体中的位错阻力随温
度降低而增加，故该类材料发生低温脆性，面
心立方金属因位错宽度比较大，位错阻力对温 度变化较不敏感，故一般不显示低温脆性。
体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。 迟屈服即对材料施加一高速载荷到高于σs，材料并 不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期(称为迟屈 服时间)才开始塑性变形。在孕育期中只产生弹性变 形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的 扩展，从而易表现为脆性破坏。
转变，如体心立方金属及其合金、某些密排六 方金属及其合金，及许多珠光体－铁素体两相 钢。这类材料的屈服强度对温度和应变速率的 变化十分敏感。 高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁 二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙 烯)等，也会发生低温脆性。
产生低温脆性的机理
材料低温脆性的产生与其屈服强度和断裂强度随
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。
低温脆性－材料的强度随温度的降低而升高 ，而塑性则相反。从韧性断裂转变为脆性 断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由 微孔聚集型转变为穿晶解理，断口特征从 纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性
或冷脆。
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。
9
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，
第三章金属在冲击载荷下的力学性能
冲击载荷下塑性变形难以充分进行且极不均 匀
• 应变速率硬化 • σs、σb升高
第6页/共30页
第7页/共30页
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一次摆锤冲击弯曲试验 (GB/T 229-1994)
加载速率+缺口效应
第8页/共30页
冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 冲击吸收功（Ak）：摆锤冲断试样所失去的能量，
第18页/共30页
3. 韧脆转变温度储备
• 韧性指标 • 安全性指标 • 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。 • 韧脆转变温度储备
△t＝t0-tk △t取值： 20℃~ 60℃
第19页/共30页
三、落锤试验
• 50年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出 • 用于测定全厚钢板的NDT 25mm×90mm×350mm 19mm×50mm×125mm
c
➢ Ⅰ区可能发生脆断
应力、温度、缺陷
σs
25
b
s
s 2
200
300 400
A
Ⅰ
A
C
Ⅱ FTP 塑性 ➢ Ⅱ区可能发生韧断
B FTE
弹性
Ⅲ ➢ Ⅲ区不断裂，一直稳定
NDT
NDT＋33℃ NDT＋67℃
t
提示：A`BC表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温 度——裂纹终止线（CAT）
第22页/共30页
第17页/共30页
2. 按断口形貌定义tk的方法
• 温度下降，材料由韧变 脆
• 取结晶区占整个断口面 积50%时的温度为tk， 记为 5 0 % FAT T ( F r a c t r u e Appearance Transition Te m p e r a t u r e ) 或 FAT T 50、 t 50
• 应变速率硬化 • σs、σb升高
第6页/共30页
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一次摆锤冲击弯曲试验 (GB/T 229-1994)
加载速率+缺口效应
第8页/共30页
冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 冲击吸收功（Ak）：摆锤冲断试样所失去的能量，
第18页/共30页
3. 韧脆转变温度储备
• 韧性指标 • 安全性指标 • 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。 • 韧脆转变温度储备
△t＝t0-tk △t取值： 20℃~ 60℃
第19页/共30页
三、落锤试验
• 50年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出 • 用于测定全厚钢板的NDT 25mm×90mm×350mm 19mm×50mm×125mm
c
➢ Ⅰ区可能发生脆断
应力、温度、缺陷
σs
25
b
s
s 2
200
300 400
A
Ⅰ
A
C
Ⅱ FTP 塑性 ➢ Ⅱ区可能发生韧断
B FTE
弹性
Ⅲ ➢ Ⅲ区不断裂，一直稳定
NDT
NDT＋33℃ NDT＋67℃
t
提示：A`BC表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温 度——裂纹终止线（CAT）
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2. 按断口形貌定义tk的方法
• 温度下降，材料由韧变 脆
• 取结晶区占整个断口面 积50%时的温度为tk， 记为 5 0 % FAT T ( F r a c t r u e Appearance Transition Te m p e r a t u r e ) 或 FAT T 50、 t 50
材料力学性能教学课件材料在冲击载荷下的力学性能
材料力学性能教学课件材料在冲击
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载荷下的力学性能
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。
口面积的50%时的温度为tk，
记为50%FATT或FATT50、
t50。
材料力学性能教学课件材料在冲击
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载荷下的力学性能
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。
建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长 的焊缝
材料力学性能教学课件材料在冲击
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载荷下的力学性能
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。
❖ 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“。
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
8
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。
9
13
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。
金属力学性能-3-冲击载荷精品PPT课件
6
二、冲击载荷作用下变形和断裂的特点
1） 弹性行为及弹性模量不受影响：弹性 变形以声速传播，金属中声速很大（例如：钢 中弹性变形速度4982 m/s）；
2） 对塑性变形、断裂及有关的力学性能 影响显著；
3） 滑移临界切应力增大，金属产生附加 强化。
7
4） 塑性变形难以充分进行，变形不均匀 且容易集中到某些局部区域，导致屈服强度、 抗拉强度提高，且屈服强度提高得多，抗拉强 度提高得少；
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26
27
按能量法定义tk的方法有如下几种： 1） 当低于某个温度，材料吸收的冲击功
基本不随温度的变化而变化，形成一个平台， 该能量称为“低阶能”。将低阶能开始上升的 温度定义为tk，记为NDT。
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NDT：零塑性转变温度 Nil Ductility Transition Temperature 在此温度以下进行冲击弯曲试验，试样无 预先塑性变形即断裂，断口全部由结晶区（解 理区）组成。
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2） 高于某个温度，材料吸收的能量也基 本不变，出现一个上平台，称为 “高阶能”。 以高阶能对应的温度为tk，记为FTP。显然，这 是一种最保守的定义tk的方法。
FTP：Fracture Transition Plastic Temperature
在此温度以上进行冲击弯曲试验，断口为 100%纤维状断口（零解理断口）。
5） 对断裂的影响 正断: 断裂应力变化不大，塑性随应变速 率增加而减小； 切断: 断裂应力随应变速率增加而增加， 塑性可能不变或提高。
8
3.2 冲击弯曲试验和冲击韧性
为了显示加载速率和缺口效应对材料韧性 的影响，需采用缺口试样进行冲击弯曲试验。
一、冲击弯曲试验 1、 标准试样
夏比（Charpy）U型缺口试样 夏比（Charpy）V型缺口试样
二、冲击载荷作用下变形和断裂的特点
1） 弹性行为及弹性模量不受影响：弹性 变形以声速传播，金属中声速很大（例如：钢 中弹性变形速度4982 m/s）；
2） 对塑性变形、断裂及有关的力学性能 影响显著；
3） 滑移临界切应力增大，金属产生附加 强化。
7
4） 塑性变形难以充分进行，变形不均匀 且容易集中到某些局部区域，导致屈服强度、 抗拉强度提高，且屈服强度提高得多，抗拉强 度提高得少；
25
26
27
按能量法定义tk的方法有如下几种： 1） 当低于某个温度，材料吸收的冲击功
基本不随温度的变化而变化，形成一个平台， 该能量称为“低阶能”。将低阶能开始上升的 温度定义为tk，记为NDT。
28
NDT：零塑性转变温度 Nil Ductility Transition Temperature 在此温度以下进行冲击弯曲试验，试样无 预先塑性变形即断裂，断口全部由结晶区（解 理区）组成。
29
2） 高于某个温度，材料吸收的能量也基 本不变，出现一个上平台，称为 “高阶能”。 以高阶能对应的温度为tk，记为FTP。显然，这 是一种最保守的定义tk的方法。
FTP：Fracture Transition Plastic Temperature
在此温度以上进行冲击弯曲试验，断口为 100%纤维状断口（零解理断口）。
5） 对断裂的影响 正断: 断裂应力变化不大，塑性随应变速 率增加而减小； 切断: 断裂应力随应变速率增加而增加， 塑性可能不变或提高。
8
3.2 冲击弯曲试验和冲击韧性
为了显示加载速率和缺口效应对材料韧性 的影响，需采用缺口试样进行冲击弯曲试验。
一、冲击弯曲试验 1、 标准试样
夏比（Charpy）U型缺口试样 夏比（Charpy）V型缺口试样
第三章冲击载荷下力学性能
第三章 冲击韧性
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：
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↑。
第三章金属在冲击载荷作用下的力学性能
第三章金属在冲击载荷作用下的力学性能Chapter Three Mechanical Property of Metals under ImpactLoads3.1 概述(Brief Introduction)㈠定义(Definition)冲击―—就是以很大速度将负荷（冲击负荷）作用到构件上去的一种加载方式。
如内燃机的活塞运动；汽车在凸凹不平道路上行驶；飞机的起飞与降落；金属压力加工（如锻造、冲压、冲裁等）。
在不同的冲击条件下，材料的力学行为不一样，为了评定材料抗冲击的能力，需要进行相应的研究。
冲击载荷与静载荷的关键区别在于：两者的加载速度不同，造成形变速率不同，如：●静拉伸应变率10－5～10－2S－1●冲击应变率102～104S－1●高速冲击应变率> 104 S－1形变速率分为绝对形变速率和相对形变速率（即应变率）。
应变率（⋅ε）―单位时间内的应变量。
单位S－1。
实践表明：●当⋅ε在10－4～10－2S－1内，金属的力学性能没有明显变化；●当⋅ε>10－2S－1力学性能将有明显变化；一般随着⋅ε增加，材料的强度增加，塑性降低，即变脆。
3.2在冲击载荷作用下金属变形和断裂的特性Characteristic of deformation and fracture of metals under impactloads㈠特点(Characteristic)静载荷时，从已知力（F）到应力（σ）以及强度计算都比较方便。
冲击载荷时，计算力（F）则很困难，因为冲击下有如下关系式。
m（V1－V2）＝F△t （3-1）式中m：物体质量；V1,V2：分别为初始速度和最终速度；△t：作用时间。
由于材料的刚度不同，造成相互作用的△t不同，加上△t一般比较短，因而不易测准，且在△t内，F是可变量，所有这些均造成F 的计算困难。
所以研究冲击过程，一般采用能量守恒来处理。
㈡应变率对两种变形方式的影响（Effect of strain rate on the two deformation mode）。
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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：
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
（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、Snห้องสมุดไป่ตู้Sb 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）
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。
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
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
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
不明显
第三章
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
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
=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。
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
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
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
（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：
第三章
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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
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第三章
20
（1）能量法定义 （2）断口形貌定义
第三章
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§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、Snห้องสมุดไป่ตู้Sb 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）
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。
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
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
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
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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
不明显
第三章
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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
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2、确定韧脆转变温度tk
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
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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
=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。
第三章
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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
第三章
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2、冲击试验
第三章
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（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。
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简 支 梁 冲 击
冲击试验原理
冲击试样的安放
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第三章
冲击吸收功： AK mgH1 mgH 2
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
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4、冲击断口
同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区， 若试验