材料性能学 3.冲击

第二节 冲击试验
不同力学试验的应变速率范围
产生1％应 变的时间
（s）
变形速度
（1/s）
等温过程
106
104
102
100
10-8
10-6
10-4
10-2
惯性力可忽略
绝热过程
10-2
10-4
10-6
10-8
100
102
104
106
惯性力不可忽略
变形 类型
加载 形式
蠕变
亚 准静态 动 冲击
态
恒载或 恒应力
二、力学响应
1、弹性变形
变形速度对金属材料的弹性行为及相应的性能指标（如 弹性模量）没有影响。
2、塑性变形
屈服强度显著升高；当应力高于屈服应力但小于104MPa 时，材料响应可用耗散过程来描述，需考虑大变形、粘滞性、 热传导等，本构关系很复杂，为非线性。
3、流体力学－热力学响应
当应力超过强度几个数量级时，材料可作为非粘性可 压缩流体来处理，其真实材料结果可不考虑，响应行为可用 热力学参数描述。
交通大学 周惠久院士
三种材料的多冲曲线
低强、高塑 高强、低塑
高冲击功时， 25钢寿命长； T8钢寿命短。
低冲击功时， 25钢寿命短； T8钢寿命长。
2、回火温度对钢多冲抗力的影响
• 随回火温度升高，强度和硬 度下降、塑性升高；
• 多冲抗力并非单调变化，存 在一个最佳回火温度，使多冲 抗力达到峰值；
(1).反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量； (2).系列冲击试验，可得Ak与温度的关系，测定材料的韧脆转变 温度 (3).对于屈服强度相同的材料，根据Ak值可以测定材料对大能量 冲击破坏的缺口敏感性。
4、冲击试验的应用
1）作为材料承受大能量冲击时的抗力指标，如炮弹、装甲 板等；
2）作为评定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标，如船 用钢板等；
液压或机 械传动
气压 或机 械传 动
机械或 爆破冲 击
高速冲击 爆破冲击
一、冲击拉伸
Hopkinson钢丝冲击拉伸试验
• 钢丝断裂位置不是在接触处A，而 是在悬挂固定端处B；
• 动态屈服强度约为静态屈服强度的 二倍左右；
• 钢丝在1.5倍于静态屈服强度的应 力作用下，经100微秒之后才发生 屈服，说明材料在动态载荷作用下 有延迟屈服现象。
屈服强度和抗拉强度
延伸率和断面收缩率
淬火回火的35NiCrMoV钢
随应变率的提高，强度也随之提高，但并非必然使塑性降低；恰恰 相反，在102～104/s应变率范围内，断面收缩率和延伸率都有所提高。在 CrMoV钢中也得到类似结果。
18Ni马氏体时效钢
屈服强度和抗拉强度
延伸率和断面收缩率
随着应变率的提高，其屈服强度和抗拉强度单调地提高， 但其断面收缩率几乎保持不变，或者略有下降，但绝对值仍 在40％以上。
第二类：温度范围很宽的情况下，均为脆性，如淬火 马氏体钢；
第三类：材料在一定范围内产生低温韧脆性转变，如 体心立方金属及其合金、某些密排立方金属及其合金， 以及铁素体－珠光体钢；
这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化敏感。
低温脆性是材料的屈服强度随温度降低而急剧增加的结果。
温度范围
一次冲击弯曲试样断口形貌
冲击载荷下，应考虑惯性作用。
第一节 冲击载荷下材料的力学响应
现代机器不同机件的应变速率范围：10－6－106S－1
静拉伸试验的应变速率 ：10-5－10-2 S-1 冲击载荷的应变速率：102－104 S-1
应变速率在10-4－10-2 S-2内，金属力学性能没有明显变 化，可按静载荷处理 当应变速率大于10-2 S-1时，力学性能将发生明显变化， 按受冲击载荷处理。
1）应力-应变曲线（续1）
对于合金来说，这种变化的总体趋势仍然不变，只是应变速率对流变 应力的影响有所减弱。
合金钢
钛合金
随应变率的提高，应力-应变曲线位置也上移，但提高的幅度不如纯 金属。
2）强度和塑性
大量试验证明，在应变速率低于102/s的范围内，材料的强度和塑性 不会有明显变化；在当应变速率超过102/s～103/s以后，加大应变速率可 以提高屈服强度和抗拉强度，但对塑性（延伸率）的影响却很复杂。
3）评定原材料的冶金质量，如夹杂、气泡、严重分层、偏 析等宏观缺陷；
4）评定材料热加工后的产品质量，如过热、过烧、白点、 回火脆性、淬火及锻造裂纹等；
5）评定材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用系列冲击 试验）。
三、多次冲击（小能量）
机械工业中有不少机件，如锤杆、凿岩机活塞、 钎尾等，往往是工作在承受小能量的多次冲击载荷的 情况下，一般总在多次（＞103）冲击后才会断裂，而 不是一次或少数几次冲击就断裂的，并且所承受的冲 击能量也远小于一次冲击断裂的能量。
属材料而言，随温度升高，
屈服强度σs 迅速下降，而 解理断裂强度σc 却基本保
持不变，故两曲线必有一 个交点（tk）：
当 t＞ tk时，σc ＞ σs，韧断；
当 t＜ tk时，σc＜ σs， 脆断。
屈服强度σs 解理强度σc
tk
温度 t
(1)低阶能上升温度
(2).高阶能温度
(3).高阶能和低阶能 平均值对应的温度；
多冲抗力：某冲击能量 A 下的冲断周次 N ；或规定工作寿 命 N 时的冲断能量 A 。
2、多冲抗力变化规律
1）强度和塑性对多冲抗力的响应
多冲抗力是一个取决于材料强度和塑性的 综合机械性能，随条件不同，对强度和塑性的 要求是不同的。一般来说： • 冲击能量高时，材料多冲抗力取决于塑性； • 冲击能量低时，材料多冲抗力取决于强度；
冲击韧性：
aK
AK FN
2、冲击试验用试样
国家标准规定试样有两种形状：
aKU
AKU FN
aKV
AKV FN
3、冲击韧性指标的讨论
1）aK 和 AK 值讨论 • AK 值有明确的物理意义，而aK 值无明确的物理意义； • AK 值（摆锤消耗功）不能代表试样断裂前所吸收的总能量；
AK =试样断裂吸收功＋试样掷出功＋机座振动功＋空气阻力消耗功＋摩擦功……
2、高阶能对应的温度 fracture transition plastic （100%纤维断口）
3、（低阶能＋高阶能）/ 2 对应的温度（fracture transition elastic）
四、影响材料低温脆性的因素
1、晶体结构的影响
大量试验表明，体心立方（bcc）金属及某些密排六方 （hcp）金属具有较明显的低温脆性；而面心立方（fcc）金 属低温脆性现象不明显。普通中、低碳钢的基体是体心立方 的铁素体，低温脆性
(4).结晶区占断口 面积50%时的温度
三、韧脆转变温度表征
4、AKV = 20.3N.m 对应的温度
5、结晶区占断口面积 50％对应的温度
Fracturc appearance transition temp.
1、低阶能开始上升的温度 （nil ductility temp.）
（100％结晶断口）
第三章 材料的冲击性能
• 受冲击载荷的构件
– 空间飞行器受陨石的撞击； – 炮弹、子弹对装甲的穿透； – 飞机起飞与降落时起落架与地面的碰撞； – 汽车驶过凹坑和凸起； – 经受锻造、爆炸焊接、爆炸加工成型的构件；等等。
• 利用冲击能量来工作的构件
– 锻锤； – 冲床； – 凿岩机； – 铆钉枪；等等。
源自文库
奥氏体钢
随应变率提高，屈服强度急剧升高，抗拉强度升高较为缓慢；而延伸 率和断面收缩率则略有降低，与马氏体时效钢相类似。值得注意的是，在 低应变率下，奥氏体钢的强度远低于中碳铬钼钢；但在高应变率下奥氏体 钢的强度提高很多，甚至可超过铬钼钢。
3）迟屈服
在高速加载下，塑性应 变往往落后于应力，出现一 定时间的滞后。图5-2-15为 碳钢试样在快速加载条件下 应力、应变及应变速率与时 间的关系。可见:开始加载 10微秒后，应力达到最大值， 但在30微秒后才出现塑性流 动，说明材料在一短暂时间 内承受了比屈服点更高的应 力而没有发生屈服，此即迟 屈服。屈服滞后的时间依赖 于应力和温度，当应力越高 或温度越高时，滞后时间越 短。
试验表明，当试样破坏前承受的冲击次数（N） 少于500～1000次，试样的断裂规律与一次冲击相同； 当N＞105时，破坏后具有典型的疲劳断口特征，说明 是各次冲击损伤累积的结果，不同于一次冲击破坏过 程，所以多次冲击抗力不能用AK值简单代替。
1、多冲试验原理及方法
多冲试验一般在落锤式多次冲击试验机上进行： 冲击频率：450周/min及600周/min 冲击能量：0.1~1.5J（依靠冲程调节）
• 随冲击能量的升高，多冲抗 力峰值位置向高的回火温度方 向移动。说明冲击能量越高， 多冲抗力所要求配合的塑性也 越高。
3）多冲抗力与冲击韧性的关系
冲击韧性在多次 冲击中的作用，随钢 的强度等级不同而不 同：
• 在中、低强度范围 高强度 内，冲击韧性对多冲 抗力影响不大；
• 在高强度范围内， 提高冲击韧性可以提 中强度 高多冲抗力。
冲击载荷下： 塑性变形发生在局部区域；
导致： 屈服强度、抗拉强度提高， 屈服强度提高的较多， 抗拉强度提高的较少；
2、冲击加载速率对力学性能的影响
1）应力-应变曲线
铝（扭转） 软钢（拉伸）
铜（冲压）
钛（扭转）
随着应变率的增加，材料的塑性变形抗力（流变应力）也随之提高， 而体心立方金属显示出最大的应变速率敏感性
二、一次冲击弯曲（GB 229-84）
为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需 要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。
1、一次冲击弯曲试验及冲击韧性
冲击韧性：
指材料在冲击载荷作用下吸 收塑性变形和断裂功的能力， 常用标准试样的冲击吸收功 Ak表示。
冲击功： AK Gh Gh
第一节 冲击载荷下材料的力学响应
冲击载荷与静载荷的区别：加载速率不同
一、加载速度及变形速度的概念
加载速度－载荷施加于机件的速度，用单位时间应力增加量
表示。
变形速度－单位时间内的变形量。有两种表示方法：
两种变形速度之间的关系：
• 绝对变形速度： V dl
dt
• 相对变形速度： de
dt
V 1
l0
小冲击功 中冲击功 大冲击功
低强度
第三节 低温脆性（冷脆性）
一、低温脆性现象
当温度低于某一温度时：
AK
• 由韧性断裂→脆性断裂；
• 冲击吸收功明显下降；
• 断裂机理由微孔聚集型→解理断裂
• 断口特征由纤维状→结晶状
则将此现象称为低温脆性。而 对应的温度称为韧脆转变温度。
t tK
大量试验表明，体心立方（bcc）金属及某 些密排六方（hcp）金属具有较明显的低温脆性； 而面心立方（fcc）金属低温脆性现象不明显。
温度对钢材冲击韧性的影响
冷脆性 （低温脆性）
篮脆性
重结晶脆性
蓝脆： 碳钢和某些合金钢在230－370度范围内拉伸时，强度升高，塑性, 降低出现脆性。颜色氧化为蓝色，所以称为蓝脆。形变时效加速 进行的结果。冲击载荷下，形变速率较高，蓝脆温度上升。
实践中的三种冲击吸收功－温度关系曲线：
第一类：面心立方金属，低温下韧性依然很高；
2） AK 值相同的材料，其韧性不一定相同 塑性变形功
AK AI AP 裂纹形成功
裂纹扩展功
而：AI = A弹性＋A塑性
当A弹性大、而A塑性及AP小 时，材料为脆性。
弹性变形功
根据断裂理论，断裂类型取决于裂纹扩展过程中所消耗的功， 消耗功越大，则断裂表现为韧性的；反之，为脆性的；
冲击韧性不能真正代表材料的韧脆程度，为什么？
max
P S
1
1
2hES PL
分离式Hopkinson压杆冲击试验
加载装置
应力传送装置
应变测量装置
(1).由于冲击载荷应力比较高， 使较多的位错源同时开动，抑止了 易滑移阶段的产生和发展； (2).冲击载荷还增加了位错密度 和滑移系数目 (3).上述特点使金属在冲击载荷下 塑性变形难以进行； (4).静载荷下： 塑性变形均匀发生在不同晶粒；
含Mn钢系列冲击试验结果
几种类型材料的摆锤冲击试验结果
韧脆转变温度：
在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试 验结果作出冲击吸收功-温度曲线、断口 形貌中各区所占面积和温度的关系曲线、 试样断裂后塑性变形量和温度的关系曲线， 根据这些曲线求出临界温度。
二、韧脆转变的唯象解释
对bcc及hcp结构的金 σ
4）韧-脆转变
高应变速率可使某些金属由韧性断裂转变为脆性断裂，例如，Mo在2/s 应变速率下，延伸率已降为零（下左图）。但不同晶格金属的延伸率随应 变速率变化趋势并不相同，如下右图所示。一般，对bcc金属，随应变速率 增高，延伸率明显降低；对fcc金属，延伸率不发生明显变化；对hcp金属， 则较复杂，例如Zn的延伸率下降，而Ti的延伸率无明显变化。