工程材料力学性能第三章

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
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、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
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
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。
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
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。
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。
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。
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
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
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。
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
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
和相对形变速率间内应变的变化量。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：