金属在冲击载荷下的力学性能

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二、韧脆转变温度的确定
由于韧性是强度、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、按能量定义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。
到贬谪的除了范仲淹和滕子京之外，还有范仲淹改革的另一位支持者——北宋大文学家、史学家欧阳修。他于庆历五年被贬谪到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期间，欧阳修在滁州留下了不逊
于《岳阳楼记》的千古名篇——《醉翁亭记》。接下来就让我们一起来学习这篇课文吧！【教学提示】结合前文教学，有利于学生把握本文写作背景，进而加深学生对作品含义的理解。二、教学新课目标导
希望测得冲击载荷下的变形抗力、变形能 力，即动屈服点、动伸长率等——难
将冲击载荷作为能量载荷处理——测定 材料承受冲击能量的能力。
冲击韧性指的是材料在冲击载荷作用下， 吸收塑性变形功和断裂功的大小。常用标准 试样的冲击吸收功Ak来表示。
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一、冲击弯曲试验(冲击韧性试验) 韧性材料，开缺口：夏比U型缺口和V型
(3) d↓，晶粒中心与边缘变形的不均匀性↓， 不易产生裂纹，脆性↓。
(4) 晶界总面积增加，杂质浓度减少，避免 产生沿晶脆断。
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2、金相组织的影响
(1) 单相的Ak高于复相合金。 特殊：高碳回火马氏体中分布少量残余奥 氏体—冲击性能较高，韧脆转变温度低。
(2) 第二相越细小，均匀分布，Ak↑，韧脆 转变温度低。
关于“醉翁”与“六一居士”：初谪滁山，自号醉翁。既老而衰且病，将退休于颍水之上，则又更号六一居士。客有问曰：“六一何谓也？”居士曰：“吾家藏书一万卷，集录三代以来金石遗文一千卷，有
琴一张，有棋一局，而常置酒一壶。”客曰：“是为五一尔，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于此五物之间，岂不为六一乎？”写作背景：宋仁宗庆历五年(1045年)，参知政事范仲淹等人遭谗离职，欧阳
(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
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。
可见
凡是使σc↑的因素，都使tk↓——有利。 凡是使σs↑的因素，都使tk↑——不利。
冲击载荷处理 102 s1 力性发生显著变化
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§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
一、冲击失效的特点 (1) 包括弹性变形，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。 (3) 变形速度对金属材料的弹性行为及弹
修上书替他们分辩，被贬到滁州做了两年知州。到任以后，他内心抑郁，但还能发挥“宽简而不扰”的作风，取得了某些政绩。《醉翁亭记》就是在这个时期写就的。目标导学二：朗读文章，通文顺字1．
初读文章，结合工具书梳理文章字词。2．朗读文章，划分文章节奏，标出节奏划分有疑难的语句。节奏划分示例
环滁/皆山也。其/西南诸峰，林壑/尤美，望之/蔚然而深秀者，琅琊也。山行/六七里，渐闻/水声潺潺，而泻出于/两峰之间者，酿泉也。峰回/路转，有亭/翼然临于泉上者，醉翁亭也。作亭者/谁？山之僧/曰/智
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。
来自百度文库
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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
11 醉翁亭记
1．反复朗读并背诵课文，培养文言语感。
2．结合注释疏通文义，了解文本内容，掌握文本写作思路。
3．把握文章的艺术特色，理解虚词在文中的作用。
4．体会作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、导入新课范仲淹因参与改革被贬，于庆历六年写下《岳阳楼记》，寄托自己“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想。实际上，这次改革，受
载荷作用的力学性能指标，Ak 、ak值越大，材 料的韧性越好。
(2) 无论Ak还是ak均不能完全真正反映材料 的韧脆程度。
Ak＝试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机 座振动功＋……
＝弹性变形功Ae+塑性变形功Ap+断裂功Ad。
对韧性有贡献。
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(3) ak物理意义不明确 除了与材料本性有关外，很大程度上取 决于参加塑性变形的体积而不仅仅是缺口(折 断处)的原始截面积；
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§3.3 低温脆性
一、低温脆性(冷脆)现象
1、低温脆性及韧脆转变温度
金属或合金，当温度低于某一温度tk时， Ak明显↓，转变为脆性状态，该现象称为低温 脆性(冷脆)。——多为bcc、hcp结构。
韧脆转变温度tk：冲击韧性显著下降的温 度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。
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2、低温脆性(冷脆)的物理本质 材料的屈服强度随温度降低急剧增加，
之”是总起词语，故应从其后断句。【教学提示】引导学生在反复朗读的过程中划分朗读节奏，在划分节奏的过程中感知文意。对于部分结构复杂的句子，教师可做适当的讲解引导。目标导学三：结合注释
，翻译训练1．学生结合课下注释和工具书自行疏通文义，并画出不解之处。【教学提示】节奏划分与明确文意相辅相成，若能以节奏划分引导学生明确文意最好；若学生理解有限，亦可在解读文意后把握
仙也。名之者/谁？太守/自谓也。太守与客来饮/于此，饮少/辄醉，而/年又最高，故/自号曰/醉翁也。醉翁之意/不在酒，在乎/山水之间也。山水之乐，得之心/而寓之酒也。节奏划分思考“山行/六七里”为什
么不能划分为“山/行六七里”？
明确：“山行”意指“沿着山路走”，“山行”是个状中短语，不能将其割裂。“望之/蔚然而深秀者”为什么不能划分为“望之蔚然/而深秀者”？明确：“蔚然而深秀”是两个并列的词，不宜割裂，“望
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图3-2 各种韧脆转变温度判据
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(2) 以高阶能定义tk，FTP(fracture transition plastic)
高于FTP ，断口由100%纤维区组成。 (3) 以低阶能和高阶能平均值来定义tk： FTE (fracture transition elastic)
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节奏划分。2．以四人小组为单位，组内互助解疑，并尝试用“直译”与“意译”两种方法译读文章。3．教师选择疑难句或值得翻译的句子，请学生用两种翻译方法进行翻译。翻译示例：若夫日出而林霏开
，云归而岩穴暝，晦明变化者，山间之朝暮也。野芳发而幽香，佳木秀而繁阴，风霜高洁，水落而石出者，山间之四时也。直译法：那太阳一出来，树林里的雾气散开，云雾聚拢，山谷就显得昏暗了，朝则
学一：认识作者，了解作品背景作者简介：欧阳修(1007—1072)，字永叔，自号醉翁，晚年又号“六一居士”。吉州永丰(今属江西)人，因吉州原属庐陵郡，因此他又以“庐陵欧阳修”自居。谥号文忠，世
称欧阳文忠公。北宋政治家、文学家、史学家，与韩愈、柳宗元、王安石、苏洵、苏轼、苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。后人又将其与韩愈、柳宗元和苏轼合称“千古文章四大家”。
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第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
冲击：以很大的速度将负荷作用到机器零件上 去的一种加载方式。
应变速率 de d
单位时间内应变的变化量s-1
静拉伸试验 105 ~ 102 s1
冲击试验 102 ~ 104s1
静载荷处理 104 ~ 102s1 力性未显著变化
(3) 对于低温下服役的机件，依据tk可以 直接或间接地估计它们的最低使用温度。
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(4) 机件的最低使用温度必须高于tk，两者之差
越大越安全。 △＝t0-tk称为韧性温度储备。通常tk 为负值，t0应高于tk，所以△为正值。一般取 40－60℃。
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注意
(1) 由于定义方法不同，同一材料所得到 的tk不同；
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三、显微组织的影响
1、晶粒大小的影响 晶粒尺寸↓，亚晶尺寸↓，胞状结构尺寸↓，
使Ak↑，ak↑，tk↓。
1
tk ln B ln C ln d 2
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细化晶粒提高韧性的原因
(1) 晶界是裂纹扩展的阻力。d↓，阻力↑， 脆性↓。
(2) d↓，位错塞积群长度↓，应力集中↓， 不易产生解理裂纹，脆性↓。
性模量无影响；
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(4) 冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提 高；
(5) 塑性变形的不均匀增加，尤其是多晶 体金属—塑性变形往往集中在某些晶粒内。
原因：冲击瞬间位错运动的应力 ↑↑→许多位错源同时开动→位错密度↑ → 派纳力↑→滑移的临界切应力↑，满足条件 的晶粒少。
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
优点：反应了裂纹扩展变化的特征，与
断裂韧度KIC急剧变化的温度较好对应。
缺点：测量受人为影响较大。
20/29 3、韧脆转变温度的意义
(1) tk也是材料的韧性指标，因为它反映 了温度对韧脆性的影响。
(2) tk与δ、ψ、Ak(ak)、NSR一样，也是安 全性指标，从韧性角度选材的重要依据之一， 可用于抗脆断设计。
2、按断口形貌定义tk的方法 冲击试样断口一般也存在三个区：纤维区、
放射区、剪切唇。
图3-3 冲击断口形貌示意图
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通常取结晶区面积占整个断口面积50%时 的 温 度 为 tk 。 并 记 为 50%FATT(fracture appearance transition temperature)或FATT50、 t50。
(3) 球状第二相Ak>片状或网状第二相的Ak。 (4) 第二相与基体性能越接近，Ak↑，韧脆 转变温度低。
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3、内部缺陷的影响 内部缺陷使Ak↓。
4、表面状态的影响 同一材料，Akv <Aku<光滑试样的Ak。
四、强度等级的影响
1、中、低强度钢冷脆转变明显。 2、高强度钢没有明显的冷脆转变：其本身 Ak就较低。
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三、冲击弯曲试验用途
1、能反映原材料的冶金质量和热加工后 的产品质量—ak对材料品质、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；
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。
不存在低温脆性。 3、普通中、低强度钢的基体为bcc的F，所
以均具有明显的低温脆性。
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bcc与fcc冷脆差异的原因
(1) t↓，bcc中τP-N↑↑，σs↑↑，tk↑，所以变脆。 (2) fcc中，τP-N对t不敏感，σs随温度变化小， 所以一般无冷脆或冷脆温度极低。
韧性是强度与塑性两者的函数，但塑性的
影响大于强度。
强度、塑性均↑，韧性↑：细化晶粒。 强度↑、塑性↓，韧性↓：第二相强化。
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二、化学成分
(1) 间隙原子，使韧性降低，提高其韧脆 转变温度。
(2) 钢中的置换原子，一般提高韧脆转变 温 度 ， 降 低 韧 性 。 但 Ni 和 Mn 例 外 。
(3) 杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性， 提高韧脆转变温度。