第3章 材料在冲击载荷下的力学性能

材料性能学

1一14周

第三章金属在冲击载荷下的

力学性能

许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。

冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同

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：单位时间的变形量。加载速率提高，形变速率也增加。相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。

冲击载荷2－104s-1 de10

d

静载荷

10-5－10-2s-1

一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点

冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击

能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程

的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。

由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。

冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为

4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对

金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。

应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲

击载荷下难以发生塑性变形。

1.1 应变速率对塑性变形的影响

金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因：

1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。

2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。

纯铁的应力－应变曲线

1－冲击载荷1.2 应变速率对强度的影响

2－静载荷

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。

应变速率对18Ni马氏体时效钢强度的影响

1.3 应变速率对塑性和韧性的影响

塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生正断，则断裂应

力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；

如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。

应变速率对18Ni马氏

体时效钢塑性的影响应变速率对35CrNiMoV钢塑性的影响

二、冲击弯曲和冲击韧性

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。

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

A K表示。

冲击弯曲试验标准试样

是U形或V形缺口，对

应的冲击吸收功分别记

冲击弯曲试验原理图为A KU和A KV

冲击吸收功A K的大小不能真正反映材料的韧脆程度：

原因：

缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。

通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的A k值相差10-30%。

冲击弯曲试验的主要用途有两点：

(1) 控制原材料的冶金质量和热

加工后的产品质量

通过测量冲击吸收功和对样品

进行断口分析，可揭示原料中

的夹渣、气泡、严重分层、偏

析以及夹杂物超级等冶金缺陷；

检查过热、过烧、回火脆性等

锻造或热处理缺陷。JB-S300数显冲击试验机

(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得A k与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。

三、低温脆性

3.1 低温脆性现象

定义：体心立方晶体金属及合金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（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t k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，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。

Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果

低温脆性是材料屈服强

度随着温度的降低急剧

增加的结果。

σc 见右图，屈服点随着温

度的下降而升高，但材

料的解理断裂强度随着

温度的变化很小，两线

交点对应的温度就是韧

屈服强度和断裂强度随温度变化示意图

脆转变温度t k。

温度高于t k时，σc＞σs，材料先屈服后断裂，为韧性断裂；温度低于t k时，σc＜σs，材料先断裂，为脆性断裂；

t k时实际上是一个温度区间

3.2 韧脆转变温度

冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线A k急剧减小

拉伸试验，应力－应变曲线σs 急剧增加

试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线

（a）20钢和（b）15MnMoV在不同温度下的力－伸长曲线