第三章-材料的冲击韧性及低温韧性
《材料性能学》课后答案
《材料性能学》课后答案《⼯程材料⼒学性能》（第⼆版）课后答案第⼀章材料单向静拉伸载荷下的⼒学性能⼀、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作⽤下，应变落后于应⼒现象。
静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最⾼应⼒。
⽐例极限：应⼒—应变曲线上符合线性关系的最⾼应⼒。
包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。
解理断裂：沿⼀定的晶体学平⾯产⽣的快速穿晶断裂。
晶体学平⾯－－解理⾯，⼀般是低指数，表⾯能低的晶⾯。
解理⾯：在解理断裂中具有低指数，表⾯能低的晶体学平⾯。
韧脆转变：材料⼒学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断⼝特征由纤维状转变为结晶状）。
静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静⼒韧度。
是⼀个强度与塑性的综合指标，是表⽰静载下材料强度与塑性的最佳配合。
⼆、⾦属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学姓能?答案：⾦属的弹性模量主要取决于⾦属键的本性和原⼦间的结合⼒，⽽材料的成分和组织对它的影响不⼤，所以说它是⼀个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不⼤。
三、什么是包⾟格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包⾟格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时⼏乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形⽴即开始了。
包⾟格效应可以⽤位错理论解释。
第⼀，在原先加载变形时，位错源在滑移⾯上产⽣的位错遇到障碍，塞积后便产⽣了背应⼒，这背应⼒反作⽤于位错源，当背应⼒(取决于塞积时产⽣的应⼒集中)⾜够⼤时，可使位错源停⽌开动。
材料的冲击韧性和低温脆性
材料的冲击韧性和低温脆性冲击韧性是指材料在受到冲击或者动态载荷时，能够吸收能量并延展变形的能力。
冲击韧性的高低取决于材料的组织结构和成分，具体包括塑性变形的能力、断裂韧性和强度等。
一般来说，高韧性的材料能够吸收更多的冲击能量，从而具有较好的抗冲击性能。
低温脆性是指材料在低温环境下失去延展性和韧性而表现出脆性断裂的现象。
低温脆性的主要原因与材料的晶体结构和化学成分有关。
低温下，材料的原子和分子运动减慢，晶格结构受到约束而不能发生足够的塑性变形。
当应力超过了材料的极限时，材料会发生断裂而失去韧性。
冲击韧性和低温脆性在一些情况下有着密切的关系。
一些材料在低温下，由于低温脆性的影响，其冲击韧性会明显降低。
例如，常用的金属材料如碳钢和铸铁，在低温下会变脆，从而导致其冲击韧性下降。
这对一些低温环境下工作的设备和结构会带来安全隐患。
为了提高材料的冲击韧性和抵抗低温脆性的能力，通常采取以下几种方法：1.合金化：通过加入合适的合金元素来调节材料的组织结构和晶体缺陷，从而改善材料的冲击韧性和低温脆性。
例如，在铝合金中添加适量的锂可以提高其低温强度和塑性。
2.热处理：通过热处理过程来改变材料的晶体结构和组织形态，从而提高材料的冲击韧性和低温韧性。
热处理包括淬火、回火等工艺，可以使材料得到均匀细小的晶粒和相关的析出相，从而提高其延展性和韧性。
3.添加增强相：通过向材料中添加纳米颗粒、纤维等增强相，可以改善材料的力学性能，包括冲击韧性和低温脆性。
这些增强相可以阻碍位错移动和晶格滑移，从而增加材料的塑性变形能力。
4.提高材料的变形能力：通过控制材料的加工过程和热处理工艺，使材料得到均匀细小的晶粒和相关的析出相，从而增加其变形能力。
这样，材料在受到冲击时能够承受更大的变形而不发生断裂。
综上所述，冲击韧性和低温脆性是材料力学性能的两个重要指标，对于材料在不同温度和应力条件下的可靠性和安全性具有重要影响。
通过合金化、热处理、添加增强相和提高材料的变形能力等方法，可以提高材料的冲击韧性和低温脆性，从而满足不同工程应用和环境条件下的需求。
第三章_材料在冲击载荷下的力学性能
6
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，且屈服强度提高的较为明显， 抗拉强度提高的较少。如图所示。
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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。
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。常用标准试样的冲击 吸收功AK来表示。 二、冲击试样 如图所示 1、冲击弯曲试验试样的种类：
夏比v型缺口冲击试样（我国以前称夏氏试样） 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）
⑵较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬 火回火组织。
⑶在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高 于B下。低碳钢低温B上的韧性高于M回。这是由于 低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑 制，减少了晶界裂纹所致。
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⑷在低合金钢中，经不完全等温处理获得B 和M混合组织，其韧性比单一M或B要好。这是由 于B先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随 后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极 为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多 次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。
材料的冲击韧性及低温韧性课件
材料的内部微孔洞和裂纹等缺陷对低温韧性 也有影响。这些缺陷在低温环境下可能导致
材料的脆性断裂。
材料的热处理与加工工艺
材料的热处理可以改变其内部组织结构，进而影响其 低温韧性。例如，淬火可以提高材料的硬度，但可能 降低其韧性。
ห้องสมุดไป่ตู้
加工工艺对材料的低温韧性也有影响。例如，冷加工 可以增加材料的硬度，但可能导致其韧性降低。而适 当的热处理和回火则可以恢复和提高材料的韧性。
智能化制造
未来将采用更加智能化的 制造工艺和方法，以提高 材料的冲击韧性和低温韧 性，并降低制造成本。
THANKS
材料的冲击韧性及低温韧 性课件
目
录
• 材料冲击韧性与低温韧性的关
• 材料冲击韧性及低温韧性的应
01 材料冲击韧性的概述
冲击韧性的定义
01
冲击韧性是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。
02
冲击韧性表征了材料在冲击载荷 下的抗脆断性能。
冲击韧性的重要性
冲击韧性是材料的重要力学性能指标 之一，对于承受冲击载荷的构件和零 件非常重要。
02 材料低温韧性的概述
低温韧性的定义
低温韧性是指材料在低温环境下抵抗冲击断裂的能力。
材料的低温韧性对于其在低温环境下的使用性能至关重要。
低温韧性的重要性
材料在低温环境下使用时，由于温度降低，材料的力学性能 会发生变化，脆性增加，韧性降低。
如果材料不具备足够的低温韧性，就可能在低温环境下发生 脆性断裂，导致设备或结构失效。
深空探测
高低温韧性材料被用于制造深空探 测设备的结构和部件，以承受极端 温度和环境条件的影响。
材料冲击韧性及低温韧性的未来发展趋势
材料性能学第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
图3-2 U型缺口试样尺寸及加工要求 图3-3 V型缺口试样尺寸及加工要求
测定冲击吸收功时，陶瓷、铸铁或工具钢 等脆性材料无需开缺口。
10mm×l0mm×5
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
2、多次冲击试验
多次冲击试验的规律 当试样破坏前,承受的冲击次数少于500～1000
二、冲击韧性及其工程意义
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
1．一次冲击
⑵ 测定材料的韧脆性转变温度。 根据系列冲击试验(低温冲击试验)可获得AK与温
度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以 供选材参考或抗脆断设计。
⑶ 对σs（屈服强度）大致相同的材料，根据AK值 可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。
钢的脆性转变温度
实验温度（℃）
第二节 低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
系列冲击实验证明：体心立方或某些密排六方的晶 体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢， 当试验温度低于某一温度tk（韧脆转变温度）时，材料 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。
温度 不同材料的冷脆倾向
转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。面心立方金属及 合金一般没有低温脆性现象，但在20-42K极低温度下奥氏体钢
及铝合金有冷脆性。高强度钢及超高强度钢在很宽温度范围内冲 击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。
一、系列冲击实验与低温脆性
第二节 低温脆性
从宏观角度分析，材料低温跪
Titanic
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❖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。
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
三、冲击脆化效应 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位 错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段 的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和 滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的 平均长度，增加点缺陷浓度。上述诸点均使金属材 料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,导致 屈服强度和抗拉强度提高。
(2)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ②测定材料的韧脆性转变温度； ③对σs大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对 大能量冲击破坏的缺口敏感性。
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Introductions of Material Properties
2.多次冲击
(1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A 多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，取决于塑性； A低时，取决于强度。
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位臵而形成的固溶体 称臵换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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Introductions of Material Properties
3.显微组织的影响 （1）晶粒大小 细化晶粒能使材料韧性增强 韧脆转变温度降低 细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
Introductions of Material Properties
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
1
Introductions of Material Properties
3.1
冲击弯曲试验与冲击韧性
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷 冲击载荷与静载荷主要区别在于加载速率不同
加载速率即载荷施加于试样的速率，用单位时间内应力 增加的数值表示
（4） T工作≥NDT+67℃（FTP）， σ工作达到σb 发生韧性断裂
第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能
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。
d / dt ,
d dl / l
dl 1 dl 1 d / dt l dt dt l l
静拉伸的应变速率在10 ～10 S ,当应变速率 大于10 S ，材料的力学性能将发生显著的变
-2 -1
-5
-2
-1
化。
冲击载荷下材料变形和断裂的特点
弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性
b)
c)
塑性变形集中在局部区域，较之静载条件 极不均匀。
应变速率提高，材料塑性必定下降？
材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增 加而减小。 材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可 能提高。
应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)断面收缩率
应变速率对淬火回火35CrNiMoV钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)延伸率和断面收缩率
物构件小，由于变形的几何约束小带来的脆化
程度也相应地小一些。
试验之前试样在所选 的低温条件下保温3045分钟，然后迅速将
焊堆长×宽×厚 64×15×4mm
其移至支座上，用落
锤对其冲击 。锤的冲 击能量是根据板材厚 度和材料的屈服强度 这两个参数决定的。 落锤试验示意图
冲击韧性实验
3.金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。 在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域， 这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强 度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强 度提高得较少。 4.塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式 有关。
§3.2 金属材料的低温脆性
3.工程意义
（1）考核材料的多次冲击抗力； （2）作为受多次冲击零件的设计依据。
三．冲击脆化效应
1.冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变率 对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。而应变 速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影 响。 2.在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当 高，结果造成位错运动速率增加，使派纳力 τp-n 增大。 运动速率愈大,则能量愈大、宽度愈小，故派纳力愈大。 结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。
2.试验结果
样品破坏前 N ﹤1000～500次者，破坏规律及形态与一 次冲击相同； 样品破坏前 N﹥100000次者，破坏规律及形态与疲劳相 似。可概括为如下一些规律： （1）冲击能量高时，材料的多次冲击抗 力主要取决于塑 性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 （2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 （3）材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。高强度钢 和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较 大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏 体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要 好。 在马氏体钢中存在稳定残余奥氏体，可以抑制解理断 裂，从而显著改善钢的韧性。马氏体钢中的残余奥氏体膜 也有类似作用。 钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取 决于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与 基体的结合力等性质有关。
材料性能与测试-第3章材料的冲击韧性和低温脆性
低温脆性的危害
❖ 发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法加以 阻止，无任何征兆。
❖ 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城先后 发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆 造成的。
§3.2 低温脆性
❖ 定义：体心立方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，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
§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 §3.4 影响韧脆转变温度的因素
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点
冲击载荷和静载荷的区别
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。
形变速率可间接反应加载速率的变化。
口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
屈服强度/MPa
840
700 W
560 Mo
420 Байду номын сангаасe
280
140 Ni
几类不同冷脆倾向的材料
0 200 400 600 800 1000
温度/℃
❖ 测量不同温度下冲击韧性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。tk称为韧脆转
变温度或冷脆转变温度，是安全性指标之一。
(3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应的温度。
➢ 冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线 Ak急剧减小；
(4) 以Akv为 20.3 N·m对应的温度作为韧脆转变温度，记为 V15TT。
材料性能学课后习题与解答
绪论1、简答题什么是材料的性能包括哪些方面提示材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为；解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现;包括错误!力学性能拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲错误!物理性能热、光、电、磁错误!化学性能老化、腐蚀;第一章单向静载下力学性能1、名词解释：弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解：弹性变形：材料受载后产生变形,卸载后这部分变形消逝,材料恢复到原来的状态的性质;塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移,并不引起材料破裂的现象;弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形屈服变形时的应力;弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力;包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形,卸载后再同向加载,规定残余应力弹性极限或屈服强度增加；反向加载,规定残余应力降低的现象;弹性模量：工程上被称为材料的刚度,表征材料对弹性变形的抗力;实质是产生100%弹性变形所需的应力;滞弹性：快速加载或卸载后,材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能;内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功,即有部分变形功倍材料吸收,这部分被吸收的功称为材料的内耗;韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力;超塑性：在一定条件下,呈现非常大的伸长率约1000%而不发生缩颈和断裂的现象;韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口;2、简答1 材料的弹性模量有那些影响因素为什么说它是结构不敏感指标解：错误!键合方式和原子结构,共价键、金属键、离子键E高,分子键E低原子半径大,E小,反之亦然;错误!晶体结构,单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性,沿密排面E大,多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性;错误!化学成分,错误!微观组织错误!温度,温度升高,E下降错误!加载条件、负载时间;对金属、陶瓷类材料的E没有影响;高聚物的E随负载时间延长而降低,发生松弛;2 金属材料应变硬化的概念和实际意义;解：材料进入塑性变形阶段后,随着变形量增大,形变应力不断提高的现象称为应变硬化;意义错误!加工方面,是金属进行均匀的塑性变形,保证冷变形工艺的顺利实施;错误!应用方面,是金属机件具有一定的抗偶然过载能力,保证机件使用安全;错误!对不能进行热处理强化的金属材料进行强化的重要手段;3 高分子材料的塑性变形机理;解：结晶高分子的塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程；非晶高分子材料则是在正应力下形成银纹或在切应力下无取向的分子链局部转变为排列的纤维束的过程;4 拉伸断裂包括几种类型什么是拉伸断口三要素如何具体分析实际构件的断裂提示：参考课件的具体分析实例简单作答解：按宏观塑性变形分为脆性断裂和韧性断裂;按裂纹扩展可分为穿晶断裂和沿晶断裂;按微观断裂机理分为解理断裂和剪切断裂;按作用力分为正断和切断;拉升断口的三要素：纤维区、放射区和剪切唇;对实际构件进行断裂分析首先进行错误!宏观检测：目测构件表面外观；低倍酸洗观察；宏观断面分析;错误!扫描电镜分析错误!X射线能谱分析错误!金相分析错误!硬度及有效硬化层测定; 3、计算： 1 已知钢的杨氏模量为210GPa,问直径,长度120mm 的线材承受450N 载荷时变形量是多少 若采用同样长度的铝材来承受同样的载荷,并且变形量要求也相同,问铝丝直径应为多少E Al =70GPa 若用WE=388 GPa 、钢化玻璃E=345MPa 和尼龙线E=呢解：已知：E=210GPa , d= , 1L =120mm , F=450N ;/F S σ=ε/L L ε∴=∆ 164.5L ∴∆=∴ 2.5Al d mm ==∴ 2.5W d mm =∴ 2.5d d mm ==钢化∴ 2.5d d mm ==尼龙 2 ,直径13mm,实验后将试样对接起来后测量标距81mm,伸长率多少若缩颈处最小直径, 断面收缩率是多少解：已知：050L mm = 013d mm = 81K L mm = 6.9K d mm =∴断后伸长率∴断面收缩率 第二章 其它静载下力学性能 1、名词解释： 应力状态软性系数 剪切弹性模量 抗弯强度 缺口敏感度 硬度解：应力状态软性系数：不同加载条件下材料中最大切应力与正应力的比值;剪切弹性模量：材料在扭转过程中,扭矩与切应变的比值;缺口敏感度：常用试样的抗拉强度与缺口试样的抗拉强度的比值;NSR硬度：表征材料软硬程度的一种性能;一般认为一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力;2、简答 1 简述硬度测试的类型、原理和优缺点至少回答三种解：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度;布氏硬度：原理是用一定大小的载荷,把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面,保持规定时间后卸载载荷,测量试样表面的残留压痕直径d,求压痕的表面积;将单位压痕面积承受的平均压力规定为布氏硬度;优点是压痕面积大反映较大区域内各组成相的平均性能,适合灰铸铁、轴承合金测量,实验数据稳定,重复性高;缺点是不宜在成品上直接检验,硬度不同要更换压头直径D和载荷F,压痕直径测量较麻烦;洛氏硬度：原理是通过测量压痕深度值来表示硬度;优点是采用不同的标尺,可以测量各种软硬不同和厚薄不一样的材料的硬度,压痕小,可对工件直接进行检验,操作简便迅速;缺点是压痕小,代表性差,重复性差、分散度大,不同标尺的硬度值不能直接进行比较,不能互换;不宜在极薄的工件上直接进行检验;肖氏硬度：原理是将具有一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面,用重锤的回落高度来表征材料的硬度;优点是使用方便,便于携带,可测现场大型工件的硬度;缺点是实验结果受人为因素影响较大,测量精度低;2 简述扭转实验、弯曲实验的特点渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么解：扭转实验的特点是错误!扭转实验的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数高;可对表面强化处理工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验; 错误!扭转实验时试样截面的应力分布为表面最大;错误!圆柱试样在扭转时,不产生缩颈现象,塑性变形始终均匀;可用来精确评定拉伸时出现缩颈的高塑性材料的形变能力和变形抗力;错误!扭转时正应力与切应力大致相等,可测定材料的切断强度;弯曲试验的特点是：错误!弯曲加载时受拉的一侧的应力状态基本与静拉伸相同,且不存在试样拉伸时试样偏斜造成对实验结果的影响;可以用来由于太硬而不好加工拉伸试样的脆性材料的断裂强度;错误!弯曲试验时,截面上应力分布表面最大;可以比较和评定材料表面处理的质量;错误!塑性材料的F—fmax 曲线最后部分可任意伸长;渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是扭转实验;3 有下述材料需要测量硬度,试说明选用何种硬度实验方法为什么a. 渗碳层的硬度分布,b. 淬火钢,c. 灰口铸铁,d. 硬质合金,e. 仪表小黄铜齿轮,f. 高速工具钢,g. 双相钢中的铁素体和马氏体,h. Ni基高温合金,i. Al合金中的析出强化相,j. 5吨重的大型铸件,k. 野外矿物解：a、e、g、i使用维氏硬度;b、c、d、f、h可使用洛氏硬度;b、c可使用布氏硬度;j使用肖氏硬度;k使用莫氏硬度;第三章冲击韧性和低温脆性1、名词解释：冲击韧度冲击吸收功低温脆性韧脆转变温度迟屈服解：冲击韧度：一次冲断时,冲击功与缺口处截面积的比值;冲击吸收功：冲击弯曲试验中,试样变形和断裂所吸收的功;低温脆性：当试验温度低于某一温度时,材料由韧性状态转变为脆性状态;韧脆转变温度：材料在某一温度t下由韧变脆,冲击功明显下降;该温度即韧脆转变温度;迟屈服：用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时,瞬间并不屈服,需在该应力下保持一段时间后才屈服的现象;2、简答1 缺口冲击韧性实验能评定哪些材料的低温脆性哪些材料不能用此方法检验和评定提示：低中强度的体心立方金属、Zn等对温度敏感的材料,高强度钢、铝合金以及面心立方金属、陶瓷材料等不能解：缺口冲击韧性实验能评定中、低强度机构钢的低温脆性;面心立方金属及合金如氏体钢和铝合金不能用此方法检验和评定;2 影响材料低温脆性的因素有哪些解：错误!晶体结构,体心立方存在低温脆性,面心立方及其合金一般不存在低温脆性;错误!化学成分,间隙溶质原子含量增加,韧脆转变温度提高;错误!显微组织,细化晶粒课是材料韧性增加;金相组织也有影响,低强度水平时,组织不同的刚,索氏体最佳;错误!温度,在某一范围内碳钢和某些合金可能出现蓝脆;错误!加载速率,提高加载速率韧脆转变温度提高;错误!试样形状和尺寸,缺口曲率半径越小,韧脆转变温度越高; 3、计算： 某低碳钢的摆锤系列冲击实验列于下表,a. 绘制冲击功－温度关系曲线；b. 试确定韧脆转变温度； 解：有K A —t 图知,20NDT =-℃ FTP=40℃c. 要为汽车减震器选择一种钢,它在－10℃时所需的最小冲击功为10J,问此种钢适合此项应用么 解：c:此种钢不适合;第四章 断裂韧性1、名词解释： 应力场强度因子 断裂韧度 低应力脆断 解：应力场强度因子：反映裂纹尖端应力场强度的参量;断裂韧度：当应力场强度因子增大到一临界值,带裂纹的材料发生断裂,该临界值称为断裂韧性;低应力脆断：在材料存在宏观裂纹时,在应力水平不高,甚至低于屈服极限时材料发生脆性断裂的现象; 2、简答 a. 格里菲斯公式计算的断裂强度和理论断裂强度解：理论强度m σ=格里菲斯断裂强度g σ= b. Kl 和KlC 的异同解：I K 是力学度量,它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化,也和裂纹的形状类型,以及加载方式有关,但它和材料本身的固有性能无关;而断裂韧性IC K 则是反映材料阻止裂纹扩展的能力,因此是材料本身的特性;c. 断裂韧性的影响因素有哪些如何提高材料的断裂韧性解：错误!外因,材料的厚度不同,厚度增大断裂韧性增大,当厚度增大到一定程度后断裂韧性稳定;温度下降断裂韧性下降,应变速率上升,断裂韧性下降;错误!内因;金属材料,能细化晶粒的元素提高断裂韧性；形成金属化合物和析出第二相降低断裂韧性;晶粒尺寸和相结构,面心立方断裂韧性高,奥氏体大于铁素体和马氏体钢;细化晶粒,断裂韧性提高;夹杂和第二相,脆性夹杂和第二相降低断裂韧性,韧性第二相提高断裂韧性;提高材料的断裂韧性可以通过错误!亚温淬火错误!超高温淬火错误!形变热处理等方法实现; 3、计算： a. 有一材料,模量E ＝200GPa, 单位面积的表面能γS ＝8 J/m 2, 试计算在70MPa 的拉应力作用下,该裂纹的临界裂纹长度若该材料裂纹尖端的变形塑性功γP ＝400 J/m 2,该裂纹的临界裂纹长度又为多少利用格里菲斯公式和奥罗万修正公式计算解：由格里菲斯公式得由奥罗万修正公式得 b. 已知α-Fe 的100晶面是解理面,其表面能是2 J/m 2,杨氏模量E ＝200 GPa,晶格常数a 0＝,试计算其理解：m σ==c. 断裂韧度66MPa ·m 1/2,用这种材料制造飞机起落架,最大设计应力为屈服强度的70％,若可检测到的裂纹长度为,试计算其应力强度因子,判断材料的使用安全性;提示：假设存在的是小的边缘裂纹,采用有限宽板单边直裂纹模型,2b>>a; 若存在的是穿透裂纹,则应用无限大板穿透解：错误!^61/21.12 1.120.7210010145.9I K MPa m ==⨯⨯⨯=⋅第五章疲劳性能1、名词解释：循环应力贝纹线疲劳条带疲劳强度过载持久值热疲劳解：循环应力：周期性变化的应力;贝文线：疲劳裂纹扩展区留下的海滩状条纹;疲劳条带：略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样,与裂纹扩展方向垂直,疲劳断裂时留下的微观痕迹;疲劳强度：指定疲劳寿命下,材料能够承受的上限循环应力;过载持久值：材料在高于疲劳强度的一定应力下工作,发生疲劳断裂的应力循环周次;热疲劳：机件在由温度循环变化产生的循环热应力及热应变作用下,发生的疲劳;2、简答a. 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点解：金属材料的裂纹扩展分两个阶段错误!沿切应力最大方向向内扩展错误!沿垂直拉应力方向向前扩展;疲劳断口一般由疲劳源、疲劳区、瞬断区组成;有贝文线宏观和疲劳条带微观;陶瓷材料裂纹尖端不存在循环应力的疲劳效应,裂纹同样经历萌生、扩展和瞬断过程;对材料的表面缺陷十分敏感,强烈依赖于K、环境、成分、组织结构,不易观察到疲劳贝文线和条带, I没有明显的疲劳区和瞬断区;高分子材料在高循环应力作用下出现银纹,银纹转变为裂纹并扩展,导致疲劳破坏;低应力条件下,疲劳应变软化;分子链间剪切滑移产生微孔洞,随后产生宏观裂纹;循环应力作用下温度升高,产生热疲劳失效;复合材料有多种损伤形式,如界面脱落、分层、纤维断裂等,不会发生瞬时的疲劳破坏,较大应变会使纤维基体变形不协调引起开裂,形成疲劳源;疲劳性能和纤维取向有关;b. 疲劳断口宏观断口和微观断口分别有什么特征解：宏观断口有三个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区;错误!疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地,多在机件表面常和缺口、裂纹等缺陷及内部冶金缺陷有关,比较光亮,表面硬度有所提高,可以是一个也可以是多个;错误!疲劳裂纹扩展区断口较光滑并分布有贝文线,有时还有裂纹扩展台阶,断口光滑是疲劳源区的连续,程度随裂纹向前扩展而逐渐减弱,贝文线是最典型的特征;错误!瞬断区断口粗糙,脆性断口呈结晶状,韧性断裂在心部平面应变区呈放射状或人字纹,边缘应力区有剪切唇存在;一般在疲劳源对侧; c. 列出至少四条提高金属疲劳性能的措施解：错误!喷丸处理错误!表面热处理错误!复合强化错误!次载锻炼3、计算： a. 某材料的应力幅和失效循环周次如下：最少疲劳寿命105次,则许用的最大循环应力是多少 解：由图知,疲劳极限=250MPa设计寿命最少^510时,最大需用循环应力为275MPa; b. 某压力容器受到升压降压交变应力△σ＝120MPa 作用,计算得知该容器允许的临界裂纹长度2ac ＝125mm,检查发现该容器有一长度2a ＝42mm 的周向穿透裂纹,假设疲劳裂纹扩展符合Paris 公式,假设疲劳扩展系数C ＝2×10－10,n ＝3,试计算该容器的疲劳寿命和循环10万次后的疲劳裂纹长度是多少 解：设裂纹为无线大板穿透裂纹,则由Paris 公式()nIda C K dN =∆得解得N=3016当N=10万次时2a=第六章磨损性能1、名词解释：磨损接触疲劳解：磨损：物体表面相互摩擦时,材料自表面逐渐减少时的过程;接触疲劳：两材料作滚动或滚动加滑动摩擦时,交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损,局部区域出现小片或者小块材料剥落而产生的疲劳;2、简答a. 简述常见的磨损类型和特点如何提高材料的耐磨粒磨损抗力解：常见的磨损类型和特点有错误!粘着磨损,特点是机件表面有大小不等的结疤;错误!磨粒磨损,摩擦面上有擦伤或明显犁皱纹;错误!腐蚀磨损,氧化磨损,磨损产物为氧化物如红褐色的三氧化二铁;错误!接触疲劳磨损,出现许多豆状、贝壳状或不规则形状的凹坑;提高磨粒磨损的抗力可以选用高硬度韧性好的材料或使用表面硬化的材料;b. 试从提高材料疲劳强度、接触疲劳、耐磨性观点出发,分析化学热处理时应注意的事项;解：化学热处理过程中采用球化退火处理和高温回火,减小碳化物粒度并使之分布均匀;采取适当的去应力退火工艺使材料在一定范围内保持残余应力,提高疲劳强度和耐磨性;c.述非金属材料陶瓷、高分子材料的磨损特点解：陶瓷材料对表面状态极为敏感,当气氛压力下降时,磨损率加大;高分子材料硬度虽然较低,但具有较大柔顺性,在不少场合下显示较高的抗划伤能力;对磨粒磨损具有良好的适应性、就范性和埋嵌性;第七章高温性能1、名词解释：蠕变蠕变极限持久强度应力松弛解：蠕变:金属在恒温、恒载荷下缓慢产生塑性变形的现象;蠕变极限：金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形抗力指标;持久强度：在规定温度下,达到规定实验时间而不发生断裂的应力值;应力松弛：在规定温度和初始应力条件下,金属材料中的应力随时间增加而减少的现象;2、简答a. 列出至少四个提高金属蠕变性能的措施解：错误!加入合金元素,形成固溶强化错误!采用正火加高温回火工艺进行热处理;错误!控制晶粒尺寸错误!控制应力水平b. 高温蠕变变形的机理有哪几种解：主要有位错滑移蠕变机理、扩散蠕变机理、晶界滑动蠕变机理、粘弹性机理;3、计算：稳态蠕变即蠕变第二阶段的本构方程ε＝A·σn·exp-Q/RT,某耐热钢538℃下的蠕变系数A＝×10－24,n＝8,激活能Q＝100kcal/mol,R为摩尔气体常数mol·K,试计算该钢在500℃时应力150MPa下的蠕变速率；解：由ε＝A·σn·exp-Q/RT得=第八章耐腐蚀性能1、名词解释：电化学腐蚀缝隙腐蚀电偶腐蚀钝化解：电化学腐蚀：金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏;缝隙腐蚀：金属部件在腐蚀介质中,结合部位的缝隙内腐蚀加剧的现象;电偶腐蚀：异种金属在同一种介质中,由于腐蚀电位不同而产生电偶电流的流动使电极电位较低的金属溶解增加造成的局部腐蚀;钝化：电化学腐蚀的阳极过程在某些情况下受到强烈阻滞,使腐蚀速率急剧下降的现象;2、简答a. 为什么说材料的腐蚀是一个自发过程解：因为腐蚀是物质由高能态向低能态转变的过程,所以腐蚀是一个自发的过程;b. 原电池和腐蚀原电池的区别是什么解：原电池可以是化学能转化为电能,有电流通过并能对外做功;腐蚀原电池是能进行氧化还原反应,但并不能对外做功的短路原电池;c. 应力腐蚀断裂的条件和特征是什么解：应力腐蚀具有以下特点：错误!应力;必须有拉应力存在才能一起应力腐蚀,压应力一般不发生应力腐蚀;错误!介质;一定的材料必须和一定的介质的相互组合,才会发生腐蚀断裂;错误!速度;应力腐蚀断裂的速度远大于没有应力时的腐蚀速度;错误!腐蚀断裂形态;应力腐蚀断裂时仅在局部区域出现从表及里的裂纹;d. 简述材料氧化腐蚀的测量方法和仪器;解：测量方法有：错误!质量法错误!容量法测量仪器:质量法采用热重分析仪;容量法采用量气管及及其他装置;e. 列出至少四种防止金属材料腐蚀的措施;解：错误!金属电化学保护法错误!介质处理错误!缓蚀剂保护法错误!表面覆盖法错误!合理选材第九章电性能1、名词解释：电介质、极化强度、铁电体、压电效应、热释电效应、热电效应解：电介质：电场下能极化的材料;极化强度：电介质材料在电场作用下的极化程度,单位体积内的感生电偶极矩;铁电体：就有铁电性的晶体;热释电效应：晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的现象称为晶体的热释电效应;热电效应：温度作用改变材料的电性能参数;贝塞克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应;压电效应：没有电场作用,有机械应力作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象;2、填空题a. 从极化的质点类型看,电介质的总极化一般包括三部分：__位移极化__、__松弛极化__、__转向极化__ ；从是否消耗能量的角度看,电介质的极化分为____弹性极化____和____非弹性极化____两类,其中___位移极化___是弹性的、瞬时完成的极化,不消耗能量；而___松弛极化___的完成需要一定的时间,是非弹性的,消耗一定的能量;b. 电介质在电场作用下产生损耗的形式主要有__电导损耗____和____电离损耗___两种；当外界条件一定时,介质损耗只与tg有关,而tg仅由___δ____决定,称为____介质损耗角____;c. 电介质材料在电场强度超过某一临界值时会发生介质的击穿,通常击穿类型可分为___电击穿____、__化学击穿___、___热击穿___三类;d. 铁电体具有__电滞回线__、居里点和__临界特性___三大特征;e. 测量电阻常用的方法有双电桥法、电位差计法、安培—伏特计法和直流四探针法;f. 金属的热电现象包括贝塞克效应、帕帖效应和汤姆逊效应三个基本热电效应;3、简答题：a. 简述电介质、压电体、热释电体、铁电体之间的关系;解：电解质包括压电体、热释电体、铁电体;压电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体;热释电体和铁电体都能在一定的温度范围内自发极化;b. 为什么金属的电阻随温度升高而增大,半导体的电阻随温度升高减小解：金属属于电子到电机制,温度升高,电子运动自由程减小,散射几率增大导致电阻增大;半导体导电取决于电子-空穴对数量多少,温度升高,电子-空穴对数增多,导电阻减小;c. 表征超导体性能的三个主要指标是什么目前氧化物高温超导体应用的主要弱点是什么解：三个指标是：错误!临界转变温度T错误!临界磁场C H错误!临界C电流密度目前氧化物高温超导体应用的主要弱点是错误!超导体材料的氧化物制备困难错误!材料加工困难错误!临界温度难以维持e. 一般来说金属的电导率要高于陶瓷和聚合物,请举例说明这个规律并不绝对正确;解：PAN、第十章磁性能1、名词解释：磁化强度矫顽力饱和磁化强度磁导率和磁化率剩余磁感应强度磁畴趋肤效应解：磁化强度：物质在磁场中被磁化的程度,单位体积内磁矩的大小;矫顽力：去掉剩磁的临界外磁场;饱和磁化强度：磁化强度的饱和值;磁导率：表征磁介质磁性的物理量;磁化率：表征物质本身的磁化特性的物理量;剩余磁感应强度：去掉外加磁场后的磁感应强度;磁畴：磁矩方向相同的小区域;趋肤效应：交变磁化时产生感生电动势,使得磁感应强度和磁场强度沿样品界面严重不均匀,好像材料内部的磁感应强度被。
材料的冲击韧性和低温脆性
（4） 50％FATT（fracture appearance
transition temperature）结晶区面积百分比 的增大,表示材料变脆。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
● （5） V15TT――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.
冲 击 试 验 机
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●
● 二、 冲击韧性及其工程意义 ● ● 冲击韧性：材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功
的能力。 ● ● 冲击韧性是数学平均值，实际上缺口截面上的应力应变分布是
极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近， 取平均值无物理意义。
2020/5/4
●用途： ●1.反映原材料的冶金质量和热加工后产品
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如何确定Tk？ NDT？ 太可怕！ FTP？ 太保守！
以低阶能和高阶能 平均值对应的温度作 为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
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冲击功 结晶区面积(%)
温度
0 高阶能
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
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● 第四节 影响材料低温脆性的因素
●
内部因素
化学成分 晶体结构 宏观组织 金相组织
温度
外部因素
加载速率
试样尺寸和形状
•1． 晶体结构的影响： 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。
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
击 韧
击实验，得到不同温度下材料的系列冲击值Ak
性 （或αk），从而获得Ak—t，或αk—t曲线。
与
低
温
脆
性
2、低温脆性
第 三
体心立方、密排六方金属或合金在温度低于tk时，由
章 材 料
塑韧性状态变为脆性状态，Ak↓↓的现象，称为 低温脆性。
的
冲
击
韧
性 材料发生冷脆性转变的温度→冷脆性转变温度tk
与
性
与
低 迟屈服现象，б>бs高速加载，体心立方金属瞬间
温 脆
并不屈服，经过一段时间后才发生屈服，且温度越
性 低，持续时间越长（不屈服，就不能削减应力峰值），
这为裂纹的发生和扩展创造了有利条件。
2、化学成分的影响
① 间隙溶质元素含量增加， 晶格畸变程度加大，位
第 三
错运动阻力提高,屈服强度升高，脆性增大，韧脆转
性 c、相同强度水平，上贝氏体的tk高于下贝氏体组织
与 低
（低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性）
温
脆
性
d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马
氏体的混合组织，其韧性比单一贝氏体或单一马氏
体组织好。
第
三
章 晶粒细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多
材 料
次改变方向（多裂纹陶瓷相似）消耗能量较大，故
章 形成的间隙式固溶体。
材
料 的
渗碳体：是铁和碳形成的稳定化合物Fe3C.
冲 击
贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体
韧 性
为基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、
与 韧性的最佳组合。
低
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
2.试验结果
样品破坏前 N ﹤1000～500次者，破坏规律及形态与一 次冲击相同；
样品破坏前 N﹥100000次者，破坏规律及形态与疲劳相 似。可概括为如下一些规律： （1）冲击能量高时，材料的多次冲击抗 力主要取决于塑 性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 （2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 （3）材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。高强度钢 和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较 大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
定材料的韧脆转变温度。
一、系列冲击实验与低温脆性
1. 系列冲击试验: 对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进
行时可以得到一系列冲击值AK（或ak），将这些冲击值与 所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线 将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与 温度的关系曲线，即AK—t0C或ak-t0C。这种不同温度下的 冲击试验称为系列冲击试验。
4.塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式 有关。
§3.2 金属材料的低温脆性
◆上节回顾： ◆冲击弯曲实验，冲击吸收功AK 、冲击韧度aK。 ◆工程意义： 1.反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量； 2.评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性；
3.根据系列冲击试验获得AK与温度的关系曲线，确
Ak T
3.低温脆性产生的原因
宏观原因：
材料低温脆 性的产生与其屈 服强度σS和断 裂强度σ 随温
C
度的变化有关。
微观原因：体心立方金属的低温脆性与位错
在晶体中运动的阻力σI对温度变化非常敏感有 关, 温度下降σI大幅度升高，位错运动难以
进行；体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
6
2．多次冲击试验 ． 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验 上进行， 机 PC-150上进行 ， 冲击频率为 上进行 冲击频率为450周次 周次 周次／ ／ min和 600周次 ／ min。 冲击能量靠冲 和 周次 。 程调节而变换(0.1～ 1.5J)， 可做多冲弯 程调节而变换 ～ ， 拉伸和压缩试验． 曲 、 拉伸和压缩试验 ． 试验后可绘制出 冲击功A—N曲线，如图 所示。从A— 曲线， 所示。 冲击功 曲线 如图3-4所示 N多冲曲线不难看出，随冲击功 的减少 多冲曲线不难看出， 多冲曲线不难看出 随冲击功A的减少 冲断次数N增加 增加。 ，冲断次数 增加。
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(5)温度下降， (5)温度下降，纤维区面积突然减 温度下降 结晶区面积突然增大， 少，结晶区面积突然增大，材料由 韧变脆． 韧变脆．通常取结晶区面积占整个 断口面积50％时的温度为t 断口面积 ％时的温度为 k，并记为 50％FATT（fracture appearance ％ （ transition temperature)或 FATT50、 或 t50。
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按能量法定义tk的方法 按能量法定义tk的方法 tk (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 本不随温度而变化，形成一平台，该能 本不随温度而变化，形成一平台， 量称为“低阶能”。以低阶能开始上升 量称为“低阶能” 的温度定义tk，并记为NDT(nil 的温度定义tk，并记为NDT(nil tk temperature)， ductility temperature)，称为无塑性 或零塑性转变温度， 或零塑性转变温度，
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第三章 材料的冲击韧性及低温
二.多次冲击试验（冲击疲劳） 1.试验：落锤式多次冲击试验机。 冲击频率：450、600周次/min 冲击功：0.1－1.5J 2.材料的多冲抗力 某冲击能量A下的冲断周次 或某冲击寿命下的冲击能量。 3.影响多冲抗力因素 取决于材料的强度、塑性、 冲击韧性。冲击能量高时， 取决于塑性；冲击能量低 时取决于强度。多数受冲 机件属小能量多次数（数 万以上），常以强度为主。
第三章
材料的冲击韧性及低温脆性
§3.1.冲击弯曲试验与冲击韧性 一.一次冲击弯曲 1.一次冲击弯曲试验
试样:10mm×10mm ×55mm;缺口形状分为夏氏v型、U 型或无缺口.
2.冲击韧性. 冲击功(摆锤击打试样后的消耗能量):Akv=G(H1-H2) G---摆锤重量. 冲击韧性: akv(u)=Ak(Au)/Fn Fn---缺口截面积.单位: J/cm2、Kg.m/cm2. 3.一次冲击试验工程意义 试验简单易行，广泛应用。 A.反映材料的冶金质量和热加工工艺质量. 材料中含过多的杂质或热处理工艺不当,材料脆性增大, 冲击功（韧性）下降. B.评价冷脆倾向，测定韧脆转变. Ak---T曲线, 确定材料的脆性转变温度Tk
三.冲击脆化效应
冲击对材料弹性行为没影响。 提高位错运动速率，使派纳力提高，滑移临 界切应力增大，材料强化，塑性下降。 使多个位错源同时开动；增加位错密度、点 缺陷；出现孪晶等。塑变难于进行。
§3.2低温脆性 一.系列冲击试验与低温脆性 1.系列冲击试验 测某材料不同温度下的AK，绘制AK(aK)－t曲线。 2.低温脆性 一般,温度↑,材料σ s↓;温度↓, σ s↑,材料变脆.但影 响程度取决于晶体结构.体心和密排影响程度大,面心小. 如: α—Fe(体心)， 25℃→--196℃, σ s↑4倍; Ni(面心) 25℃→--196℃, σ s↑0.4倍 1）定义:材料在低于Tk时,韧性状态转变为脆性状态,断口 特征由纤维变为结晶状、放射状;断裂机理由微孔聚集 型变为穿晶解理的现象 . 冷脆: 材料因温度下降,导致脆性增大甚至断裂的现象
材料的冲击韧性及低温韧性课件
热处理工艺可以改变材料的微观结构和相组成，从而影响其 冲击韧性和低温韧性。例如，对钢进行淬火和回火处理可以 提高其韧性；而对铝合金进行固溶和时效处理则可以提高其 韧性。
复合强化技术
总结词
通过复合强化技术，可以显著提高材料的冲击韧性和低温韧性。
详细描述
复合强化技术包括颗粒增强、纤维增强和相变诱导等。这些技术可以改变材料的 应力分布和塑性变形行为，从而提高其冲击韧性和低温韧性。例如，在钢中加入 碳化硅颗粒可以提高其韧性；在铝合金中加入玻璃纤维可以提高其韧性。
冲击韧性和低温韧性是两个相 互关联的材料性能参数，它们 之间的关系可以用数学模型来 描述。
该模型可以预测材料在不同温 度和冲击载荷下的行为，为材 料的选择和应用提供依据。
通过该模型，可以优化材料的 成分和工艺，以获得更好的综 合性能，满足不同领域的需求 。
04 提高材料冲击韧性和低 温韧性的方法 CHAPTER
冲击韧性的定义
01
冲击韧性是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，它反映了材料抵抗脆性断 裂和韧性断裂的能力。
02
冲击韧性是衡量材料韧性的一个 重要指标，对于工程结构材料， 冲击韧性是一个关键的性能指标 。
冲击韧性的测试方法
01
02
03
冲击试验
通过摆锤式冲击试验机对 材料进行冲击，测量冲断 试样所需的冲击功和冲断 试样所需的功。
05 材料冲击韧性及低温韧 性的应用 CHAPTER
航空航天领域的应用
总结词：关键因素
详细描述：在航空航天领域，材料的冲击韧性和低温韧性是关键因素，直接影响飞行器的安全性能和使用寿命。飞行器在高 速飞行和起降过程中会受到强烈的冲击载荷，同时也会面临极端的温度环境，因此要求材料具备优异的冲击韧性和低温韧性 。
材料性能学期末考试
中原工学院材料与化工学院材料性能学《材控专业课后习题》第一章材料在单向拉伸时的力学性能１-1名词解释1.弹性比功:材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力.2.包申格效应:金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载,规定残余伸长应力增加,反向加载,规定残余伸长应力降低的现象.其来源于金属材料中的位错运动所受阻力的变化。
可通过热处理(再结晶退火）消除。
3.塑性:材料断裂前产生塑性变形的能力4.韧性：材料变形时吸收变形力的能力5.脆性断裂(弹性断裂)：材料断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快。
断口呈现与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮,为放射状或结晶状。
6.韧性断裂（延性断裂或者塑性断裂)：材料断裂前及断裂过程中产生明显塑性变形的断裂过程。
断口呈现暗灰色、纤维状。
7.剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成断裂.断口呈现锋利的楔形或微孔聚集型,即出现大量韧窝。
8.河流花样：解理裂缝相交处会形成台阶,呈现出形似地球上的河流状形貌9.解理台阶：解理裂纹的扩展往往是沿晶面指数相同的一族相互平行,但位于“不同高度”的晶面进行的。
不同高度的解理面存在台阶。
10.韧窝：通过孔洞形核、长大和连接而导致韧性断裂的断口1—3材料的弹性模数主要取决于什么因素?答:影响弹性模数的因素:键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间1—4决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？答：１、晶体结构：屈服是位错运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力2、晶界和亚结构:晶界是位错运动的重要障碍,晶界越多,常温时材料的屈服强度增加。
晶粒越细小，亚结构越多,位错运动受阻越多,屈服强度越大。
３、溶质元素：由于溶质原子与溶剂原子直径不同,在溶质原子周围形成晶格畸变应力场，其与位错应力场相互作用，使位错运动受阻，增大屈服强度.固溶强化、柯氏气团强化、沉淀强化、时效强化、弥散强化4、第二相：弥散分布的均匀细小的第二相有利于提高屈服强度5、环境因素对屈服强度的影响1)温度的影响：温度升高，屈服强度降低，但变化趋势因不同晶格类型而异。
重庆理工大学材料性能学课件第三章 材料的冲击韧性和低温脆性
③ 确定结构钢的 冷脆倾向及韧脆 转变温度； ④评定低合金高 强钢及其焊缝金 属的应变时效敏 感性。
四、多冲抗力 定义
p某种冲击能量A下的冲断周次N
p一定冲击寿命N下对应的冲断能量A
二、多冲小能量试验
实验表明： 破坏前冲击次数<5000～1000，试样断裂规律和 一次冲击相同。 冲断次数>10000,试样具有疲劳断口特成的破坏， 断口特征表明时多次冲击损伤累积的破坏。
冲击功 J
多冲小能量试验
冲击频率： 450T/min,600T/min。 冲击能量：0.1~15J。
冲断周次 N
结晶区面积
NDT
B
V15TT
NDT+66℃=FTE+33℃=FTP
A 能量法
C
FTE
50%FATT
E
断口形貌法
D
FTP
延性法 F 3.8%侧面膨胀率对应的温度
通常取结晶区面积占整个断口面积50%时 的温度为Tk ，记为50%FATT（或FATT50 、 t50 ），即50%解理+50%韧性断裂
冲击断口示意图 评定各区面积受人为因素影响 要求测试人员有丰富的经验
多冲小能量试一次摆锤弯曲冲击试验弯冲试验冲击试验分类材料性能学第一节冲击弯曲试验和冲击韧性载荷特点用能量定性地表示材料的力学性能特征加载速率佷高弹性变形速率高于加载变形速率时加载速率对金属的弹性性能没有影响塑性变形发展缓慢若加载速率较大塑性变形不能充分进行冲击载荷具有能量特性与零件的断面积形状和体积有关材料性能学机器中各种机件的应变速率106101静拉伸试验1051021冲击试验1011021可看作是静载荷1021冲击载荷金属力学性能将显著变化5冲击载荷与静载荷的主要区别
精品 课后习题及参考答案-材料性能学课后习题与解答
材料性能学课后习题与解答绪论1、简答题什么是材料的性能？包括哪些方面？[提示] 材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为；解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现。
包括○1力学性能（拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲）○2物理性能（热、光、电、磁）○3化学性能（老化、腐蚀）。
第一章单向静载下力学性能1、名词解释：弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解：弹性变形：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。
弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应力。
弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。
弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。
实质是产生100%弹性变形所需的应力。
滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。
2、简答(1) 材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？解：○1键合方式和原子结构，共价键、金属键、离子键E高，分子键E低原子半径大，E小，反之亦然。
○2晶体结构，单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性，沿密排面E大，多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性。
○3化学成分，○4微观组织○5温度，温度升高，E下降○6加载条件、负载时间。
对金属、陶瓷类材料的E没有影响。
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Introductions of Material Properties
加入置换型溶质元素（Ni、Mn例外），也降低 高阶能，提高韧脆转变温度，但是效果不明显
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体 称置换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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3.显微组织的影响
Introductions of Material Properties
低温脆性（T<tk）
➢ 韧性状态转变成脆性状态 ➢ 冲击吸收功明显下降 ➢ 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理 ➢ 断口特征由纤维状变为结晶状 tk为韧脆转变温度或冷脆转变温度
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Introductions of Material Properties
➢面心立方材料，冲击 韧性很高无低温脆性现象 ➢高强度体心立方合金， 室温下冲击韧性很低， 韧脆转变现象不明显
冲击强度是度量材料在高速冲击下的韧性大小 和抗断裂能力的参数，是标准试样在冲击断裂 时单位面积上所消耗的能量
3
一、冲击弯曲试验
1.一次冲击弯曲试验 冲击功 Ak=G(H1-H2)
衡量材料抵抗冲击 能力的指标
Introductions of Material Properties
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Introductions of Material Properties
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Introductions of Material Properties
NDT判据
（1）T工作≥NDT，工作温度必须在NDT以上， 允许的应力水平为35~56MPa （2） T工作≥NDT+17℃，允许σ工作<σs/2，裂纹 不会扩展 （3） T工作≥NDT+33℃（FTE)，允许σ工作<σs， 只发生塑性撕裂 （4） T工作≥NDT+67℃（FTP）， σ工作达到σb 发生韧性断裂
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Introductions of Material Properties
4．温度的影响 主要是“蓝脆”的影响
5.加载速率的影响 提高加载速率使材料脆性增大 韧脆转变温度提高
6.试样形状和尺寸的影响 缺口曲率半径越小，tk越高，V型>U型 试样宽度（厚度）增加，tk升高
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Introductions of Material Properties
剪切
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Introductions of Material Properties
三、影响材料低温脆性的因素
1.晶体结构的影响： 体心立方金属及其合金存在低温脆性（迟屈服）
钢、密排六方金属中的锌和铍及其合金 面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性
奥氏体钢、镍、铝、铜等 高强度体心立方金属，如高强度和超高强度钢，
冲击弯曲试验标准试样
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Introductions of Material Properties
试样的安放
断口形貌
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Introductions of Material Properties
冲击试验机种类
悬臂梁
简支梁
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Introductions of Material Properties
2.冲击试样断裂过程分析
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2.多次冲击试验
Introductions of Material Properties
(1)冲击次数少于500-1000次， 与一次冲击相同； 冲击次数＞105时，典型 的疲劳断口特征。
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Introductions of Material Properties
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(1)冲击韧度或冲击值αKU(αKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)
KV(KU)AKVF(N AKU)
KV(KU)是一个综合性的力学性能指标，与材料
的强度和塑性有关，单位为J／cm2
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Introductions of Material Properties
(2)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ②测定材料的韧脆性转变温度；
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Introductions of Material Properties
②不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ③高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提 高冲击疲劳抗力有较大作用；
而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
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Introductions of Material Properties
大家好
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Introductions of Material Properties
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
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Introductions of Material Properties
3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷 冲击载荷与静载荷主要区别在于加载速率不同
加载速率即载荷施加于试样的速率，用单位时间内应力 增加的数值表示
高于FTP的断裂，将得到100％的纤维状断口。
(3) FTE： 低阶能和高阶能平均值 对应的温度。
(4) V15TT： 以AKV=15尺磅(20.3N·m) 对应的温度。
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Introductions of Material Properties
2、断口形貌法：
(1)断口形貌：
纤维区、放射区(结晶区)、 唇，t不同，相对面积 不同，面积～t曲线 (2)50%FATT(FATT50,t50)： 取结晶区面积占整个断口 面积50％时的温度为tk 。
σc随温度变化很小
体心立方或密排六方
σs随温度升高急剧降低 ➢T>tk，σc>σs,韧性断裂 ➢T<tk，脆性断裂
面心立方 σs’随温度变化不大 脆性断裂现象不明显
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Introductions of Material Properties
二、韧脆转化温度及其评价方法
韧性是材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力
（1）晶粒大小
细化晶粒能使材料韧性增强 韧脆转变温度降低
细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
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Introductions of Material Properties
（2）金相组织 钢中各组织按脆性转变温度tk由高到低的顺序为： 珠光体—上贝氏体—铁素体—下贝氏体— 回火马氏体 第二相尺寸增加，材料韧性下降，韧脆转化温度 升高 球状第二相的韧性比较好
三、冲击脆化效应 在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相
当高，结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度 及其能量与位错运动速率有关，位错运动速率的增 加将使派纳力增大。运动速率愈大，则能量愈大， 宽度愈小，故派纳力愈大。结果滑移临界切应力增 大，金属产生附加强化。
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Introductions of Material Properties
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➢中、低强度体心立方金属及合金或某些密排六方 晶体金属及合金，冲击韧性对温度敏感，冷脆材料
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Introductions of Material Properties
高分子材料的低温脆性 PVC、PMMA、PS、PC、 PA-6、ABS、LDPE、HIPS
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Introductions of Material Properties
冲击功可分为：弹性变形功Ac， 塑性变形、变形强化和裂纹形成过程吸收的功Ap 裂纹扩展功Ad
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Introductions of Material Properties
①强度高，塑性低，无裂纹扩展部分，裂纹难形成， 裂纹极易失稳扩展 ②强度较高，裂纹较难形成，具有一定的抵抗裂纹 扩展的能力 ③强度低，具有较好的抵御裂纹扩展的能力
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Introductions of Material Properties
按照温度由高至低依次变化： （1）试样只发生塑性变形不开裂 （2）拉伸面靠缺口附件出现裂纹，未扩展至两侧 （3）裂纹发展至试样一侧或两侧 （4）试样完全脆裂 一般规定裂纹能扩展到试样一侧或横贯板宽的 最高温度为无塑性转变温度NDT
三、冲击脆化效应 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错
源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的 产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和滑 移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的平 均长度，增加点缺陷浓度。上述诸点均使金属材料 在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,导致屈服 强度和抗拉强度提高。
③对σs大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对
大能量冲击破坏的缺口敏感性。
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Introductions of Material Properties
2.多次冲击 (1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A 多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，取决于塑性； A低时，取决于强度。
四、抗脆断设计及其试验
韧脆转变温度tk反映了 温度对材料韧脆性的影响 是从韧性角度选材的重要依据 低温服役构件： 最低使用温度必须高于tk， Δ=t-tk，Δ=20~60oC
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Introductions of Material Properties
1.落锤试验 锤头半径25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC
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Introductions of Material Properties
§3.2 低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。 冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。
评定材料： ➢低温脆性 ➢蓝脆 ➢重结晶脆性
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Introductions of Material Properties
1、能量法： (1) 低阶能：低于某一温度，冲 击能量基本不随温度而变化， 形成一平台。 低阶能开始上升的温度为tk为 无塑性或零塑性转变温度(即 NDT) NDT以下，断口由100％结晶 区(解理区)组成。