工程材料力学性能第三章

合集下载
相关主题
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
断口形貌准则主要用于正火或调质状态钢材的评定。
3、断口变形特征准则 试样冲断时,缺口根部收缩,试样背面膨
胀,规定用试样背面膨胀量达0.38mm时所对 应的温度,作为脆性转变温度。
五、韧脆转变温度的意义
tk是金属材料的韧性指标,它反映了温度对韧脆性 的影响。 tk是安全性指标,可用于抗脆断设计,保证机件服 役安全。 tk是估计低温服役机件最低使用温度的依据,选用 的材料应具有一定韧性温度储备。
韧性 钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的韧性有 重要影响,影响的程度与第二相质点的大小、形状、 分布、第二相的性质及其与基体的结合力等性质有 关。第二相尺寸增大,材料韧性下降,韧脆转变温 度升高。
作业
1.阐述韧脆转变的物理本质。 2.解释名词:低温脆性;冲击韧性。
2、冲击载荷下,应变速率对金属材料的弹 性行为及弹性模量没有影响。
3、金属材料在冲击载荷下塑性变形难于充 分进行,且塑性变形极不均匀,故使强度 提高,且σs 比σb 提高得多。
4、材料塑性和应变率之间无单值对应关系 一般应变速率上升,塑性下降,但在高速
变形下,某些金属可能显示较高塑性。 5、塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与
晶体结构的影响
体心立方金属及其合金存在低温韧性。 普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵 的铁素体,都有明显的低温脆性。
晶粒尺寸的影响
细化晶粒可使材料韧性增加。铁素体晶粒直径与
韧脆转变温度的关系可用派奇方程描述:
tk
1
lnBlnClnd2
其中,β、B、C为常数,d为铁素体晶粒直径
派奇方程同样适用于低碳铁素体-珠光体钢,低合金高强
三、冲击试验试样
冲击试验试样
四、Ak值的意义的讨论
为什么Ak并不能真正反映材料的韧脆程度? 1、Ak并不能代表试样断裂前吸收的总能量。
因为,Ak=试样变形断裂吸收的能量+试样掷 出功+机身振动功+空气阻力+……; 2、Ak相同的材料,其韧性不一定相同; 3、Ak相同的材料,其断裂功并不一定相同。 断裂功的大小决定了断裂类型,因而有人建 议以断裂功AP来表征韧性。
韧脆转变温度的评定
2、断口形貌准则 温度下降,纤维区面积突然减小,结晶区面积突然 增大。 FATT50-冲击试样断口中结晶区面积占整个断口 面积50%时所对应的温度作为脆性转变温度tk,亦 可记为50%FATT或t50。
评定方法按GB/T12778-91《金属夏比冲击断口测 定方法》,测量时剪切唇按纤维区处理。
化学成分的影响
1)间隙溶质元素↑→韧性↓ 韧脆转变温度↑
2)置换型溶质元素对韧性的影响不明显,钢中加 入置换型溶质元素一般也提高韧脆转变温度。 (Ni 减小,提高低温韧性)
3)杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下 降 以碳钢为例:C%↑→韧脆转变温度↑;Mn %↑→韧脆转变温度↓,对船体钢来说,关键要 看Mn/ C比,只有当Mn/ C≥3时,船体钢才 有比较满意的韧脆转变温度。
用“示波冲击方法”测定冲 击力-位移(挠度)曲线
曲线所包围的面积,表示试 样冲断时所吸收的总功AK; 裂纹形成功A1,它主要消 耗于试样的弹性变形、塑性 变形以及裂纹形成;裂纹扩 展功AP,它主要消耗于裂纹 前沿微观塑性变形及裂纹扩 展。
冲击实验机
五、冲击试验的应用
冲击试验的不足是其冲击吸收功的大小并 不能真正反映材料的韧脆程度,但它对材 料组织十分敏感,且试验简便易行,故仍 被广泛应用。 1、评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质
落锤试验的不足是:对脆断不能给 予定量评定,因为试验采用动载荷,其 结果能否用于静载荷尚需研究,此外, 板厚的影响亦未考虑。
断裂分析图
通过落锤试验求得的NDT可以建立断裂分析图(FAD), 它是表示许用应力、缺陷和温度之间关系的综合图,明确 提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下脆 性断裂开始和终止的条件。 应用:断裂分析图为低强度钢构件防止脆断设计和选材
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
第一节 第二节 第三节 第四节
冲击载荷下金属变形和断裂特点 冲击弯曲和冲击韧性 低温脆性 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂
一、加载速率及变形速率的概念
加载速率:载荷施加于机件时的速率,用单位时 间内应力增加的数值表示。
形变速率:单位时间内的变形量(绝对形变速率
度钢。
减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高材料韧性。
金相组织的影响
1)贝对氏低体强→度铁钢素:体按→t下k由贝高氏到体低→的回顺火序马:氏珠体光体→上 2)马对氏中体碳;合贝金氏钢体且马强氏度体相混同合组,织tk:>下回贝火氏马氏体体<回火 3)低碳合金钢的韧性:贝氏体马氏体混合组织>单
一马氏体或单一贝氏体 4)马氏体钢的韧性:奥氏体的存在将显著改善钢的
泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。 在-2℃的海水中,泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸 收能仅有4焦耳。同样温度下,现代钢板纵向试验中吸 收能为325焦耳,横向试验中吸收能为100焦耳。
下图是建造中的Titanic 号。Gannon 的文章指 出,在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆 性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的 焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时,脆性的焊缝 无异于一条300英尺长的大拉链,使船体产生很长 的裂纹,海水大量涌入使船迅速沉没。
四、韧脆转变温度的评定
1、能量准则
以低阶能开始上升的温度定义为tk,记为NDT,称无塑性或零 塑性转变温度。无预先塑性变形断裂对应的温度,最易确定tk 的准则。在NDT以下,断口由100%结晶区组成。
以高阶能对应的温度定义为tk,记为FTP。最保守的定义tk的
方法。在FTP以上,100%纤维状断口。 以低阶能和高阶能的平均值对应的温度定义tk,记为FTE。
12
-54
tk与定义方法、外界因素等有关。按上述三种准则确定的脆性转变温度并不等 效,从表中几种钢的脆性转变温度,可以看出,20J准则与0.38mm准则比较 接近。
由此可见,脆性转变温度是相对的,只有按 同一准则确定的脆性转变温度才有可比性。此外, 在一定条件下用试样测定的脆性转变温度与实际 结构或零件的脆性转变温度是不同的。所以对于 大型结构的脆性评定,应发展更接近实际工况条 件的试验方法。
2、T工作≥NDT+17℃,允许σ工作≤σs/2,意即名义 应力低于σs/2,且温度高于NDT+17℃时,裂纹 不会扩展,该参考判据提供了σ<σs/2时的止裂温 度界限。
3、T工作≥NDT+33℃,允许σ工作≤σs,意即 名义应力低于σs时,裂纹可在弹性区内扩展 的最高温度为NDT+33℃,该临界温度称为 弹性开裂转变温度(FTE),当T>FTE时,只 发生塑性撕裂。因此FTE是应力等于σs时脆 性裂纹止裂温度。
二、韧脆转变的物理本质 断裂强度σc随温度的变化较小,而屈服 强度σs对温度十分敏感,随温度降低,屈服 强度升高,两者的交点tk即为韧脆转变温度。
T>Tk ,σc>σs 先屈服再断裂 韧性断裂
T<Tk, σc<σs 先达到σc 脆性断裂
三、系列温度冲击试验
评定材料低温脆性的最简便的试验 方法是系列温度冲击试验。该试验采用 标准夏比冲击试样,在从高温(通常为 室温)到低温的一系列温度下进行冲击 试验,测定材料冲击功随温度的变化规 律,揭示材料的低温脆性倾向。
落锤试验
试验中随试样温度下降,其力学行为发 生如下变化:
不裂→拉伸侧表面部分形成裂纹但未发 展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或 两侧边→试样断成两部分
一般规定裂纹能扩展到试样一侧边或两 侧边的最高温度为无塑性转变温度NDT,其 含义实际是钢板弹性开裂的最高温度,当 T<NDT 时 , 钢 板 碎 裂 ; T>NDT 时 , 含 有 大 裂纹的试板不会碎裂。
提供依据; 可用来分析脆性断裂事故。 不足:未考虑加载速度和板厚的影响(25mm低强度钢板 建立)
防断裂设计参考判据
在落锤试验测得的NDT和大量同类试验的基础上, Pellini等提出了对低强度铁素体钢NDT的应用,建 议了四个防断裂设计参考判据:
1、T工作≥NDT,由于NDT表示小裂纹可作为裂源引 起脆裂的临界温度。工作温度要求在NDT以上,允 许的应力水平限制在35-56 Mpa。
六、落锤试验
普通冲击弯曲试验试样尺寸过小,不能反映实际构件 中的应力状态,而且结果分散性大,不能满足一些特殊要求。 为了克服这一困难,Pellini等人提出了落锤试验方法。
落锤试验法:用于测定全厚钢板的NDT,作为评定材料 的脆性转变温度。 试样厚度与实际使用板厚相同,典型尺寸: 25*90*350mm 19*50*125mm 16*50*125mm
量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断 口分析,可揭示冶金缺陷,检查锻造或热处理 缺陷。 2、根据系列冲击试验(低温冲击试验),可得 Ak与温度关系曲线,测定材料的韧脆转变温度, 据此可以评定材料的低温脆性倾向。
第三节 低温脆性
一、低温脆性现象
体心立方金属及合金、某些密排六方金属及合金, 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型变为穿 晶解理型,断口特征由纤维状变为结晶状,这即低温 脆性,转变温度tk称为韧脆转变温度,亦称冷脆转变 温度。
4、T工作≥NDT+67℃,σ工作达到σb发生韧性 断裂。该温度称为塑性开裂转变温度(FTP), 当T>FTP时,断裂应力达到材料极限强度, 当T<FTP时,裂纹可在塑性范围扩展,断裂 应力在σs和σb之间。
第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
一、冶金因素 1、化学成分的影响 2、晶体结构的影响 3、显微组织 a.晶粒尺寸 b.金相组织 二、外界因素 1、温度 2、加载速率 3、试样尺寸和形状
和相对形变速率)
相对形变பைடு நூலகம்率:
de d
相对形变速率即应变速率,单位时间内应变的变化量。
静拉伸 10-5-10-2s-1
冲击试验 102-104s-1 当 >10-2s-1 时,金属力学性能将发生明显变化。
二、冲击载荷下金属变形和断裂的特点
1、冲击载荷下,机件的失效同样表现为过 量弹性变形、过量塑性变形和断裂。
实际上由于材料化学成分的统计性,韧脆转变温 度不是一个温度,而是一个温度区间。
左面的试样取自海底的Titanic号,右面的是 近代船用钢板的冲击试样。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。
韧性温度储备:Δ=t0-tk t0-使用温度 一般Δ取40-60℃,重要机件取60℃,非重
要机件取20℃,中间取40℃。
几种钢的脆性转变温度
材料 σs/Mpa
热轧C-Mn 210 钢
热轧低合 385 金钢
淬火-回 618 火钢
20J准则 27
-24 -71
0.38mm 准则 17
-22
-67
50FATT 准则 46
断裂方式有关 材料正断:断裂应力变化不大,塑性下降; 材料切断:断裂应力上升,塑性不变或提高。
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性的涵义 冲击韧性-材料在冲击载荷 作用下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。 常用标准试样的冲击吸收功 Ak表示。 二、缺口试样冲击试验原理 冲击吸收功: Ak=mgH1-mgH2 注意:缺口位于冲击 相背方向。
相关文档
最新文档