第三章金属在冲击载荷下的力学性能

第三章金属在冲击载荷下的力学性能

前面我们讲述的是材料在常温、静载下的力学性能。工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。

冲击载荷与静载的主要差异：在于加载速率不同，加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。

因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。

不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。

缺口

冲击载荷使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。

降低温度（脆断趋势）钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的最大特点是断裂功极低，后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。

第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点

1、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。因弹性变形是以声

速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982 m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。

2、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。金属产生附加强化。冲击载荷下塑性变形比较集中在某些区域（与静载荷下不同），说明塑性变形是极不均匀的。

3、材料塑性和应变率之间无单值依存关系。

第二节冲击弯曲和冲击韧性

一、冲击韧性

是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。常用标

来表示。

准试样的冲击吸收功A

K

二、冲击试样

见图3-3。

①冲击弯曲试验试样的种类：

夏比v型缺口冲击试样

缺口试样

夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）

无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）

②冲击试样开缺口的目的是：使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，A k 值越小，材料表现的脆性

越大。

所以，不同类型和尺寸试样的A k 值不能相互换算和直接比较。

三、冲击弯曲试验原理

1、冲击试验的分类：冲击弯曲（三点式和悬臂梁式－艾氏冲击试验）、冲击拉伸、冲击扭转等等。

2、冲击弯曲试验：

GB/T229-1994《金属夏比（缺口）冲击试验方法》对其作出了详细规定。冲击吸收功A k ：

A k ＝GH 1-GH 2=G(H 1-H 2) mg(H 1-H 2)

对采用u 型缺口和v 型缺口的试样，其冲击吸收功分别用A ku 和A kv 来表示。试验前对

试验机进行校核（见教材）。

旧标准使用a k （冲击韧性）作为性能指标。N

k k F A a (J/cm 2) 四、冲击值的意义和讨论

1、a k 值没有明确的物理意义

其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用单位面积吸收的能量a k 来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够

明确。

2、A k 值相同的材料，其韧性不一定相同

因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小。（画图示意）

3、冲击吸收功并非完全用于试样变形和破断。

冲击试验时，摆锤所消耗的总功A k 一部分用于试样的变形和破断。另一部分消耗于试

样的掷出、机身振动、克服空气阻力以及轴承和测量机构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略不计的。当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大，所以不同试验机和不同人员操作的A k 值相差10％～30％。

五、冲击试验的应用

尽管用a k 或A k 作为一个力学性能指标来表示冲击韧性存在着各种不足之处，但其值的

大小对材料的组织十分敏感，能敏感地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。同时，在生产上的长期应用，已经积累了大量有价值的资料和数据。常用来检验冶金、热加工质量。现在还广泛应用在以下几个方面：

1、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量

检验冶金缺陷：夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级。检验锻造和热处理缺陷：过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等。

2、根据系列冲击试验，可测得A k与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度、

蓝脆、重结晶脆性。

3、作为材料承受大能量冲击破坏时的抗力指标。如对装甲板之类的结构件，冲击功

就是一个重要抗力指标。但对承受小能量多次冲击（成千上万次）的结构件，用冲击功作为抗力指标并不合适。

第三节低温脆性

一、低温脆性现象

1、定义：体心立方金属及合金或某些密排六方金属及其合金，随试验温度的下降而降低，在试验温度低于某一温度时，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断裂变为穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状。这种现象称为低温脆性，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。

转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。

面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。

2、原因

①低于某一温度（韧脆转变温度T

k

）时，塑性断裂强度高于正断强度（见图3-5）。塑性断裂强度在塑性变形过程中随形变强化和应力状态的变化而变化。

②体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服有关。

二、韧脆转变温度

目前，常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度t

k

。

1、能量准则法：

冲击功随温度的变化而变化，变化趋势见图5-2-7。能量法定义T

k

的方法有以下三种：

①以低阶能开始上升的温度定义为T

k

，记为NDT（Nil Ductility Temperature）称为无塑性或零塑性转变温度。

②以高阶能对应的温度定义为T

k

，记为FTP(Fracture Transition Plastic)，较为保守的方法。脆断的弹性的

③以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为T

k

，记为FTE(Fracture Transition Elastic)。

弹性的

2、断口形貌法

冲击断口形态见图3-7。分成为纤维区、放射区、剪切唇三个区。通常取结晶区面积

占总面积的50％的温度作为T

k ，并记作FATT

50

,通用v型试样。

需要说明的是：T

k

属于韧性指标，也是安全性指标。但不能直接用于机件的设计计算；

因定义T

k

的方法不同，同一种材料的也不同，同一种材料使用同一种方法时，可能因为外