6-1冲击弯曲试验与冲击韧性
材料力学性能-6-材料的抗冲击性能
同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不可比的。
冲击韧性 αk ：
冲击吸收功 Ak 除以缺口底部净横截面积 SN：
αK = AK / SN
αk的单位为 J / cm2
注：Ak 的单位为N·M(J)。
冲击吸收功的意义
• 冲击实验中，冲断试样所吸收的冲击吸收 功是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总 功。（忽略试样掷出、机身振动、空气阻力等）
缺口试样冲击吸收功Ak和解理断口百分数与温度关系
• Ak −T曲线存在上、下二个平台Akmax和Akmin ，
• Ak值进入上平台的温度T1－100%纤维状断口，此 温 度 称 为 塑 性 断 裂 转 变 温 度 FTP （ Fracture Transition Plastic）。
T> FTP ，则脆性断裂的几率趋于零，材料呈 现为完全韧断状态；
（Fracture Appearance Transition Temperature）
冷脆转变的断口（冲击断口）
• 缺口冲击试样的断口也分为三个区：
纤维区、放射区和剪切唇区。
各区的相对比例及分布 视材料的塑性而定。通 常裂纹源位于缺口根部 （受拉应力）的中段稍 离表面处。在受压应力 区，裂纹扩展速率减小 而出现二次纤维区。
• 塑性较好的材料，裂纹沿二侧向深度方向稳定 扩展，中央部分较深，构成中部突进式的纤维 状区域，然后失稳扩展而形成放射区。由于试 样的无缺口侧受压应力，应力状态变软，因而 可在此侧出现二次纤维区。
• 塑性很好的材料，则放射区可完全消失，整个 断面上只存在纤维区和二侧及底部最后形成的 剪切唇；
• 若材料塑性很差，则受压侧塑性变形区很小， 二次纤维区会消失，直至观察不到剪切唇，这 时断口几乎全部为放射区。
模具寿命与失效6
系列冲击试验与低温脆性
低温脆性与σs、σc随温度变化关系
从图示看，断裂
强度随温度变化
断裂强度
很小，屈服强度
随温度变化情况
与材料本性有关。
系列冲击试验与低温脆性
低温脆性与σs、σc随温度变化关系
体心立方金属及 合金或某些密排 六方晶体金属及 合金，尤其是工 程上常用的中、 低强度结构钢， 当试验温度低于韧—脆转变温度TC材料由 韧性状态变为脆性状态，
（3）aKU值对冲击疲劳抗力的影响 高强度钢和超高强度
钢的塑性和冲击韧性 对提高冲击疲劳抗力 有较大作用；
中、低强度钢的塑性
和冲击韧性对提高冲
击疲劳抗力作用不大，
如图示。
1-σb=1700 MPa 2-σb =1500 MPa 3-σb =1300 MPa 4-σb =1000MPa
材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律
第一个字母表示裂纹面法线方向， 第二个字母表示裂纹深度预期扩展方向。
断裂韧试验试样的制备
例：图4-40（a）（c）中，L-S表示裂纹面的法线方 向为纵向，预期的裂纹扩展方向为板厚方向。
L-长度方向(纵向) T-宽度方向(横向) S-板厚方向 R-圆的直径方向 C-圆周切线方向
图4-40（b）中，C-L 表示裂纹面的法线方 向为圆周切线方向， 预期的裂纹扩展方向 为圆柱体的长度方向。
这是因为中强度钢的冲
击韧度已经比较高，再
增加aKU值对提高冲击 疲劳抗力的影响甚微；
2-σb =1500 MPa
对高强度材料，冲击韧 度比较低，适当提高一 些韧性对提高冲击疲劳 抗力的影响比较突出。
σb =1000MPa
材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律
6-1冲击弯曲试验与冲击韧性 PPT
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
（3）试验原理 摆锤(质量为G)举至H1的位
置(位能为GH1)，释放摆锤冲断 试样；
摆锤摆至H2的位置(位能为 GH2)；摆锤冲断试样失去的 位能为GH1－GH2 。
此即为试样变形和断裂所 吸收的功，称为冲击吸收功，
（2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。
如图，40钢（含碳量 为0.4%的钢）的冲击疲劳 抗力随回火温度的变化 （即钢材塑性的高低）不 是单调的变化，而是在某 一温度下有一个峰值。
且此峰值随冲击能量 增加向高温方向移动。说 明不同冲击能量下，要求 的强度和塑性配合不同。
（1）冲击能量高时，材 料的多次冲击抗力主要取 决于塑性；冲击能量低时， 材料的多冲抗力主要取决 于强度。
如图，经500℃回火钢的特点是塑性高，强度低。 经200℃回火 钢的特点是强度高，塑性低。
在交点以左， 500℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长；
在交点以右， 200℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长。
②测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验 （低温冲击试验）可获得AK与温度的关系曲线，据此确 定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。
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. AK值越大，说明材料对缺口越 不敏感。
2.多次冲击
一般采用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲 击工作寿命N时的冲断能量A表示试样的多冲抗力。冲击 抗力的指标有如下规律：
多次冲击试验采用PC-l50型落锤式多次冲击试验机。
冲击频率(冲击次数)：450周次/min 和600周次/min。
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
三、冲击脆化效应 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位 错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段 的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和 滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的 平均长度，增加点缺陷浓度。上述诸点均使金属材 料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,导致 屈服强度和抗拉强度提高。
(2)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ②测定材料的韧脆性转变温度； 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。
11
Introductions of Material Properties
2.多次冲击
(1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A 多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，取决于塑性； A低时，取决于强度。
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位臵而形成的固溶体 称臵换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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Introductions of Material Properties
3.显微组织的影响 （1）晶粒大小 细化晶粒能使材料韧性增强 韧脆转变温度降低 细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
Introductions of Material Properties
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
1
Introductions of Material Properties
3.1
冲击弯曲试验与冲击韧性
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷 冲击载荷与静载荷主要区别在于加载速率不同
加载速率即载荷施加于试样的速率，用单位时间内应力 增加的数值表示
（4） T工作≥NDT+67℃（FTP）， σ工作达到σb 发生韧性断裂
冲击韧性实验
3.金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。 在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域， 这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强 度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强 度提高得较少。 4.塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式 有关。
§3.2 金属材料的低温脆性
3.工程意义
（1）考核材料的多次冲击抗力； （2）作为受多次冲击零件的设计依据。
三．冲击脆化效应
1.冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变率 对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。而应变 速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影 响。 2.在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当 高，结果造成位错运动速率增加，使派纳力 τp-n 增大。 运动速率愈大,则能量愈大、宽度愈小，故派纳力愈大。 结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。
2.试验结果
样品破坏前 N ﹤1000～500次者，破坏规律及形态与一 次冲击相同； 样品破坏前 N﹥100000次者，破坏规律及形态与疲劳相 似。可概括为如下一些规律： （1）冲击能量高时，材料的多次冲击抗 力主要取决于塑 性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 （2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 （3）材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。高强度钢 和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较 大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏 体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要 好。 在马氏体钢中存在稳定残余奥氏体，可以抑制解理断 裂，从而显著改善钢的韧性。马氏体钢中的残余奥氏体膜 也有类似作用。 钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取 决于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与 基体的结合力等性质有关。
冲击韧性
冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。
是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）冲击韧性或冲击功试验（简称"冲击试验"），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。
冲击韧性（冲击值）ak工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。
因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
ak值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。
ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。
ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。
因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。
材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（Tk）”。
[1]冲击韧性（ ak ）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/ 厘米 2 （ J/cm2 ） . 代号：аk单位：J/cm2简介：将冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积所得的商。
注：用夏氏U形缺口试样求得的冲击功和冲击值，代号分别为AkU和akU；用夏氏V形缺口试样求得的冲击功和冲击值，代号分别为AKV和аkV。
用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功，称为冲击韧性以αk表示。
冲击韧性
冲击韧性冲击韧性（冲击值）ak工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。
因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
ak值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。
ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。
ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。
因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。
材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（Tk）”。
冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向材料的韧性是断裂时所需能量的度量。
描述材料韧性的指标通常有两种：（1）冲击韧性aK （单位为MJ/m2）冲击韧性是在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。
通常用冲击韧性指标aK来度量。
aK是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（MJ），其单位为MJ/m2。
aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。
标准冲击试样有两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。
同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大于夏氏试样的aK值，所以两种试样的aK值不能互相比较。
夏氏试样必须注明aK（夏）。
实际工作中承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是因小能量多次冲击使损伤积累，导致裂纹产生和扩展的结果。
最新6-1冲击弯曲试验与冲击韧性
建筑系
材料性能学
（3）材料强度等级不同， 塑性和冲击韧度对冲击疲 劳抗力的影响不同。高强 度钢和超高强度钢的塑性 和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力有较大作用；而中、 低强度钢的塑性和冲击韧 性对提高冲击疲劳抗力作 用不大。
建筑系
材料性能学
(2)一次冲击试验的工程意义: ①衡量材料韧脆多直接用冲击功AKU（AKV）。它能反
映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测 量AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气 孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷； 还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。
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二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(1)冲击韧度或冲击值aKU(aKV):
用冲击吸收功AKU(AKV)除以试样缺口处截面积FN(cm2)。
即：
aKV(aKU)
AKV(AKU) FN
冲击韧度表示单位面积的平均冲击功值。但实际当中， 试件承受冲击作用时，缺口界面上的应力分布不均匀，塑性 变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，取平均值的意 义不大。所以这个指标应用不多。
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（2）标准试样：国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分 别为:夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样， 冲击吸收功分别记为AKU 和AKV。几何尺寸为：
陶瓷、铸铁或 工具钢等脆性材 料的冲击试验常 用无缺口试样
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材料力学性能-6-材料的抗冲击性能
缺口试样冲击吸收功Ak和解理断口百分数与温度关系
• Ak −T曲线存在上、下二个平台Akmax和Akmin ，
• Ak值进入上平台的温度T1－100%纤维状断口，此 温 度 称 为 塑 性 断 裂 转 变 温 度 FTP （ Fracture Transition Plastic）。
T> FTP ，则脆性断裂的几率趋于零，材料呈 现为完全韧断状态；
服强度重合，材料呈脆性断裂。
因此，Tk称为冷脆转变温度。
• 实际情况下，冷脆转变是在一个温度范 围内进行的，所以Tk只是这个范围的某 种表征值。
二、冷脆转变温度的评定和影响因素
• 冷脆转变温度是一个温度范围，但在材料 冷脆敏感性评来表征。
• 即使在同一材料的同一试样冲击吸收功— —温度曲线上，由于定义不同，也会得到 不同的Tk值。
• Ak值进入下平台的温度T2－100%解理断口，此温 度 称 为 无 塑 性 温 度 NDT （ Nil Ductility Temperature）。
T< NDT ，则材料处于完全脆断状态。
断口形貌转变温度50% FATT：
• 定义对应于50%（断面占比）解 理断口的特征温度，称为断口形 貌转变温度，即50% FATT。
• 由冲断过程中所耗的功由三部分组成：
弹性功、塑性功、撕裂功（裂纹扩展功）
• 对不同材料，其冲击吸收功可以相同，但它们 的弹性功、塑性功和撕裂功却可能差异很大。
显然，冲击吸收功的大小难以真实反映材料的韧 性性质。
• 若弹性功所占比例很大，塑性功比例很小， 撕裂功几乎为零，则表明材料断裂前塑性 变形小，裂纹一旦形成便立即扩展直至断 裂，断口必然呈放射状甚至结晶状的脆性 断口。
• 冲击吸收功和冲击韧性值对金属材料的组织结构、冶金 缺陷比较敏感，可检验、控制材料的冶金质量及热加工 质量。
铸造合金的冲击韧性测试与评价
铸造合金的冲击韧性测试与评价铸造合金是一种常用于制造工业零部件和结构件的材料。
在实际应用中，这些合金通常会遭受到冲击载荷的作用，因此评估其冲击韧性具有重要意义。
本文将介绍铸造合金冲击韧性的测试方法以及评价指标。
一、冲击韧性测试方法铸造合金的冲击韧性测试中最广泛使用的方法是冲击试验。
冲击试验通过施加冲击载荷，模拟合金在实际使用中所遭受的冲击影响。
常用的冲击试验方法包括冲击弯曲试验和冲击拉伸试验。
1. 冲击弯曲试验冲击弯曲试验常用于脆性材料的评估。
试样一般为具有标准尺寸的横截面圆形或方形材料。
试验时，将试样放在冲击试验机的支架上，在冲击锤的作用下，以一定角度进行弯曲。
通过观察试样的断裂情况和力学行为，评估合金的冲击韧性。
2. 冲击拉伸试验冲击拉伸试验常用于塑性材料和具有较高延展性的合金。
试样的尺寸和几何形状与拉伸试验相似，但需要加装冲击料头。
试验时，利用冲击试验机施加拉伸载荷，观察试样的断裂情况和力学行为来评估合金的冲击韧性。
二、冲击韧性评价指标冲击韧性是衡量材料在承受冲击载荷时能够吸收的能量。
评价合金冲击韧性时，常用以下指标：1. 冲击强度冲击强度是指在冲击试验中，试样能够承受的最大冲击载荷。
冲击强度越高，表示合金的抗冲击能力越好。
2. 断裂形态观察合金在冲击试验中的断裂形态对于评价其冲击韧性也很重要。
脆性材料在受到冲击载荷时往往会呈现突然断裂，并且断口呈现出光滑的表面；而韧性材料则会呈现出一定的塑性变形和断裂韧突。
3. 吸收能量合金在冲击试验中吸收的能量也是评价其冲击韧性的重要指标。
能量吸收量较大的合金，代表其具有较好的耐冲击能力。
三、冲击韧性的应用与意义冲击韧性测试与评价对于铸造合金的应用具有重要意义。
首先，能够帮助设计工程师选择适合的合金材料，以确保所设计的零部件和结构件在实际使用中能够承受冲击载荷，并具备足够的使用寿命。
其次，对于生产工艺和工艺参数的优化也具有指导意义。
通过测试合金的冲击韧性，可以确定最佳的工艺参数，从而提高产品的质量和性能。
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
6
2．多次冲击试验 ． 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验 上进行， 机 PC-150上进行 ， 冲击频率为 上进行 冲击频率为450周次 周次 周次／ ／ min和 600周次 ／ min。 冲击能量靠冲 和 周次 。 程调节而变换(0.1～ 1.5J)， 可做多冲弯 程调节而变换 ～ ， 拉伸和压缩试验． 曲 、 拉伸和压缩试验 ． 试验后可绘制出 冲击功A—N曲线，如图 所示。从A— 曲线， 所示。 冲击功 曲线 如图3-4所示 N多冲曲线不难看出，随冲击功 的减少 多冲曲线不难看出， 多冲曲线不难看出 随冲击功A的减少 冲断次数N增加 增加。 ，冲断次数 增加。
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(5)温度下降， (5)温度下降，纤维区面积突然减 温度下降 结晶区面积突然增大， 少，结晶区面积突然增大，材料由 韧变脆． 韧变脆．通常取结晶区面积占整个 断口面积50％时的温度为t 断口面积 ％时的温度为 k，并记为 50％FATT（fracture appearance ％ （ transition temperature)或 FATT50、 或 t50。
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按能量法定义tk的方法 按能量法定义tk的方法 tk (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 本不随温度而变化，形成一平台，该能 本不随温度而变化，形成一平台， 量称为“低阶能”。以低阶能开始上升 量称为“低阶能” 的温度定义tk，并记为NDT(nil 的温度定义tk，并记为NDT(nil tk temperature)， ductility temperature)，称为无塑性 或零塑性转变温度， 或零塑性转变温度，
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第三章 材料的冲击韧性及低温
二.多次冲击试验（冲击疲劳） 1.试验：落锤式多次冲击试验机。 冲击频率：450、600周次/min 冲击功：0.1－1.5J 2.材料的多冲抗力 某冲击能量A下的冲断周次 或某冲击寿命下的冲击能量。 3.影响多冲抗力因素 取决于材料的强度、塑性、 冲击韧性。冲击能量高时， 取决于塑性；冲击能量低 时取决于强度。多数受冲 机件属小能量多次数（数 万以上），常以强度为主。
第三章
材料的冲击韧性及低温脆性
§3.1.冲击弯曲试验与冲击韧性 一.一次冲击弯曲 1.一次冲击弯曲试验
试样:10mm×10mm ×55mm;缺口形状分为夏氏v型、U 型或无缺口.
2.冲击韧性. 冲击功(摆锤击打试样后的消耗能量):Akv=G(H1-H2) G---摆锤重量. 冲击韧性: akv(u)=Ak(Au)/Fn Fn---缺口截面积.单位: J/cm2、Kg.m/cm2. 3.一次冲击试验工程意义 试验简单易行，广泛应用。 A.反映材料的冶金质量和热加工工艺质量. 材料中含过多的杂质或热处理工艺不当,材料脆性增大, 冲击功（韧性）下降. B.评价冷脆倾向，测定韧脆转变. Ak---T曲线, 确定材料的脆性转变温度Tk
三.冲击脆化效应
冲击对材料弹性行为没影响。 提高位错运动速率，使派纳力提高，滑移临 界切应力增大，材料强化，塑性下降。 使多个位错源同时开动；增加位错密度、点 缺陷；出现孪晶等。塑变难于进行。
§3.2低温脆性 一.系列冲击试验与低温脆性 1.系列冲击试验 测某材料不同温度下的AK，绘制AK(aK)－t曲线。 2.低温脆性 一般,温度↑,材料σ s↓;温度↓, σ s↑,材料变脆.但影 响程度取决于晶体结构.体心和密排影响程度大,面心小. 如: α—Fe(体心)， 25℃→--196℃, σ s↑4倍; Ni(面心) 25℃→--196℃, σ s↑0.4倍 1）定义:材料在低于Tk时,韧性状态转变为脆性状态,断口 特征由纤维变为结晶状、放射状;断裂机理由微孔聚集 型变为穿晶解理的现象 . 冷脆: 材料因温度下降,导致脆性增大甚至断裂的现象
冲击韧性试验
八）、冲击韧性实验冲击韧性实验大纲1．用摆锤冲击试验机，冲击简支梁受载条件下的低碳钢和铸铁试样，确定一次冲击负载作用下折断时的冲击韧性αku2．通过分析计算，观察断口，比较上述两种材料抵抗冲击载荷的能力冲击韧性实验指导书衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。
冲击韧度是通过冲击实验来测定的。
这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性(韧性或脆性)。
虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度,不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标,还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段.这是因为它对材料的品质、宏观缺陷、显微组织十分敏感，而这点恰是静载实验所无法揭示的。
一﹑冲击实验的类型及名称测定冲击韧度的试验方法有多种。
国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。
在室温下进行的实验一般采用GB/T229-1994标准《金属夏比冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“高温夏比冲击实验”。
由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。
要想正确反映材料的冲击特性，必须使用冲击实验方法和设备标准化、规范化，为此我国制定了金属材料冲击实验的一系列国家标准（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。
本次实验介绍“金属夏比冲击实验”（即GB/T229-1994）测定冲击韧度。
二﹑实验目的测定低碳钢和铸铁两种材料的冲击韧度，观察破坏情况，并进行比较。
三﹑实验设备1.冲击试验机2.游标卡尺图2-26 冲击试验机结构图四﹑试样的制备若冲击试样的类型和尺寸不同，则得出的实验结果不能直接比较和换算。
本次试验采用U型缺口冲击试样。
其尺寸及偏差应根据GB/T229-1994规定，见图2-27。
加工缺口试样时，应严格控制其形状﹑尺寸精度以及表面粗糙度。
试样缺口底部应光滑﹑无与缺口轴线平行的明显划痕。
图2-27 冲击试样五﹑实验原理冲击试验利用的是能量守恒原理，即冲击试样消耗的能量是摆锤试验前后的势能差。
重庆理工大学材料性能学课件第三章 材料的冲击韧性和低温脆性
③ 确定结构钢的 冷脆倾向及韧脆 转变温度； ④评定低合金高 强钢及其焊缝金 属的应变时效敏 感性。
四、多冲抗力 定义
p某种冲击能量A下的冲断周次N
p一定冲击寿命N下对应的冲断能量A
二、多冲小能量试验
实验表明： 破坏前冲击次数<5000～1000，试样断裂规律和 一次冲击相同。 冲断次数>10000,试样具有疲劳断口特成的破坏， 断口特征表明时多次冲击损伤累积的破坏。
冲击功 J
多冲小能量试验
冲击频率： 450T/min,600T/min。 冲击能量：0.1~15J。
冲断周次 N
结晶区面积
NDT
B
V15TT
NDT+66℃=FTE+33℃=FTP
A 能量法
C
FTE
50%FATT
E
断口形貌法
D
FTP
延性法 F 3.8%侧面膨胀率对应的温度
通常取结晶区面积占整个断口面积50%时 的温度为Tk ，记为50%FATT（或FATT50 、 t50 ），即50%解理+50%韧性断裂
冲击断口示意图 评定各区面积受人为因素影响 要求测试人员有丰富的经验
多冲小能量试一次摆锤弯曲冲击试验弯冲试验冲击试验分类材料性能学第一节冲击弯曲试验和冲击韧性载荷特点用能量定性地表示材料的力学性能特征加载速率佷高弹性变形速率高于加载变形速率时加载速率对金属的弹性性能没有影响塑性变形发展缓慢若加载速率较大塑性变形不能充分进行冲击载荷具有能量特性与零件的断面积形状和体积有关材料性能学机器中各种机件的应变速率106101静拉伸试验1051021冲击试验1011021可看作是静载荷1021冲击载荷金属力学性能将显著变化5冲击载荷与静载荷的主要区别
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
章 形成的间隙式固溶体。
材
料 的
渗碳体：是铁和碳形成的稳定化合物Fe3C.
冲 击
贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体
韧 性
为基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、
与 韧性的最佳组合。
低
温 较高温度下形成上贝氏体，粗大。
脆
性
较低温度下形成下贝氏体，细小。
马氏体：含碳低于0.2%的钢，在淬火或快冷条件下， FCC的奥氏体转变为马氏体。无韧性，硬。
能量、强度、塑性都可用来表示tk
第
三
章 当低于某一温度时材料吸收的
材 料
冲击能量基本不随温度而变化，
的 形成一平台（低阶能），以低
冲 击
阶能开始上升的温度定义tk，
韧 NDT—nil ductility temperature，
性 与
即无塑性（零塑性）转变温度。
低
温
脆 性
在 NDT以下，断口有100%
性 c、相同强度水平，上贝氏体的tk高于下贝氏体组织
与 低
（低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性）
温
脆
性
d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马
氏体的混合组织，其韧性比单一贝氏体或单一马氏
体组织好。
第
三
章 晶粒细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多
材 料
次改变方向（多裂纹陶瓷相似）消耗能量较大，故
脆
性
3、以高阶能和低阶能的平均值对应的温度定义tk， FTE（fracture transition elastic）。
第
三 4、以Akv=15呎磅（20.3N·m）
章 材
对应的温度定义tk， V15TT。
《材料性能学》课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲一、《材料性能学》课程说明（一）课程代码：（二）课程英文名称：Introductions of Materials Properties（三）开课对象：材料物理专业（四）课程性质：《材料性能学》属于材料科学与工程一级学科主干专业课（五）教学目的：使学生掌握材料各种主要性能的基本概念物理本质化学变化律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学成分，组织结构之间的关系，基本掌握提高材料性能的主要途径。
（六）教学内容：本课程包括金属材料力学性能，金属物理性能分析，无机材料无论性能，高分子材料力学材料性能、材料的腐蚀与老化、性能指标的工程意义、指标的测试与评价及应用为主线贯穿始终，让学生对材料性能知识有一个完整的了解，以便达到举一反三、触类旁通的效果。
（七）教学时数:学时数：72 学时分数： 4 学分（八）教学方式:以粉笔、黑板为主要形式的课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40％，期末成绩占60％。
.二、讲授大纲与各章的基本要求第一章材料的单向静拉伸的力学性能教学要点：让学生了解材料在静载作用下的应力应变关系及常见的三种失败形式的特点和基本规律，这些性能指标的物理概念和工程意义，探讨提高材料性能指标的途径和方向1、使学生了解力—拉伸曲线和应力——应变曲线。
2 、使学生了解材料的弹性变形以及性能指标3、非理想弹性与内耗的概念4、非理想弹性的几种类型及工程应用5、掌握塑性变形的实质以及指标测方法6、了解断裂的机理教学时数： 8 学时教学内容：第一节力——伸长曲线和应力——应变曲线一、力——伸长曲线（低碳钢曲线，决定因素）二、应力——应变曲线中有实力与工程应力的关系式、曲线第二节弹性形变及其性能指标一、弹性形变本质二、弹性模数三、影响弹性模数的因素（键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件的负荷持续时间）四、比例极限与弹性极限五、弹性比功第三节非理想弹性与内耗一、滞弹性二、粘弹性三、伪弹性四、包申格效应五、内耗第四节塑性变形及其性能指标一、塑性变形机理（金属材料的塑性变形、陶瓷材料的塑性变形、高分子的塑性变形）二、屈服观象与屈服强度三、影响金属材料屈服强度的因素（晶体结构、晶界与亚结构、溶质元素、第二相、温度应变速率与应力状态）四、应变硬化（机理、指数、意义）五、抗拉强度与缩颈条件六、塑性与塑性指标七、超塑性第五节断裂一、断裂的类型及断口特征（韧性断裂与脆性断裂、穿晶断裂与沿晶断裂、洁切断裂与解理断裂、高分子材料的断裂、断口分析）二、裂纹形裂的位错模型（佤纳——斯特罗理论、断裂强度的裂纹理论）三、断裂强度四、真实断裂强度与静力韧度考核要求：1、力—伸长曲线和应力——应变曲线1.1力—伸长曲线（低碳钢曲线、决定因素）(识记)1.2应力—应变曲线中有实力与工程应力的关系式(识记)2、弹性形变及其性能指标2.1弹性形变本质（领会）2.2弹性模数(识记)2.3影响弹性模数的因素（键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件的负荷持续时间）（领会）2.4比例极限与弹性极限（领会）2.5弹性比功（领会）3、非理想弹性与内耗3.1滞弹性（领会）3.2粘弹性（领会）3.3伪弹性（领会）3.4包申格效应(识记)3.5内耗(识记)4、塑性变形及其性能指标4.1塑性变形机理(识记)4.2屈服观象与屈服强度（领会）4.3影响金属材料屈服强度的因素(识记)4.4应变硬化（领会）4.5抗拉强度与缩颈条件(识记)4.6塑性与塑性指标(识记)4.7超塑性(识记)第五节断裂5.1断裂的类型及断口特征(识记)5.2裂纹形裂的位错模型（领会）5.3断裂强度（领会）5.4真实断裂强度与静力韧度（领会）第二章材料在其他静载下的力学性能教学要点：让学生了解扭转、弯曲、压缩与带缺口试样的静拉伸以及材料硬度实验的方法、应用范围、力学性能指标。
第1讲 冲击载荷下金属变形和断裂的特点、冲击弯曲和冲击韧性
关于泰坦 尼克号事 故原因分 析的论文
New York Times, September 16, 1993
New Idea on Titanic Sinking Faults Teel as Main Culprit
By William J. Broad
A new analysis by maritime experts has concluded that the disastrous loss of the Titanic was caused not so much by an iceberg as by structural weaknesses in the steel plates that caused them to fail catastrophically.
事故原因分析
研究表明造成上述破坏的主要原因为： ① weld defects（焊接缺陷）acts as stress raiser
or notches, 造成局部应力集中（三向应力状态， triaxial stress state），三向应力状态使材料脆 性增加； ② 低温工作环境（winter months），低温脆性； 其它：tanker, pressure vessels, pipelines, bridges
冲击载荷对材料力学性能的影响
对弹性的影响：冲击载荷（应变速率）对金属材 料的弹性行为、弹性模量影响不大； 对塑性的影响：多位错源同时开动，塑性变形集 中在局部区域，屈服强度、抗拉强度提高（图3-1 中，屈服强度提高较多、抗拉强度提高较少）， 应变率与材料塑性间无单值依存关系。
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
韧脆性评价方法：材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性
材料低温脆性导致事故举例
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一般采用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲 击工作寿命N时的冲断能量A表示试样的多冲抗力。冲击 抗力的指标有如下规律：
（1）冲击能量高时，材 料的多次冲击抗力主要取 决于塑性；冲击能量低时， 材料的多冲抗力主要取决 于强度。
如图，经500℃回火钢的特点是塑性高，强度低。 经200℃回火 钢的特点是强度高，塑性低。
在交点以左， 500℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长；
在交点以右， 200℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长。
建筑系
材料性能学
（2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。
如图，40钢（含碳量 为0.4%的钢）的冲击疲劳 抗力随回火温度的变化 （即钢材塑性的高低）不 是单调的变化，而是在某 一温度下有一个峰值。
冲击功A--冲断次数N曲线。可 以看出，随A的减少，N增加。
建筑系
材料性能学
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(1)冲击韧度或冲击值aKU(aKV):
用冲击吸收功AKU(AKV)除以试样缺口处截面积FN(cm2)。
即：
aKV (aKU )
AKV ( AKU ) FN
冲击韧度表示单位面积的平均冲击功值。但实际当中， 试件承受冲击作用时，缺口界面上的应力分布不均匀，塑性 变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，取平均值的意 义不大。所以这个指标应用不多。
且此峰值随冲击能量 增加向高温方向移动。说 明不同冲击能量下，要求 的强度和塑性配合不同。
建筑系
材料性能学
（3）材料强度等级不同， 塑性和冲击韧度对冲击疲 劳抗力的影响不同。高强 度钢和超高强度钢的塑性 和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力有较大作用；而中、 低强度钢的塑性和冲击韧 性对提高冲击疲劳抗力作 用不大。
建筑系
建筑系
材料性能学
(2)一次冲击试验的工程意义: ①衡量材料韧脆多直接用冲击功AKU（AKV）。它能反
映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测 量AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气 孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷； 还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。
建筑系
材料性能学
（3）试验原理 摆锤(质量为G)举至H1的位
置(位能为GH1)，释放摆锤冲断 试样；
摆锤摆至H2的位置(位能为 GH2)；摆锤冲断试样失去的 位能为GH1－GH2 。
此即为试样变形和断裂所 吸收的功，称为冲击吸收功， 以AK表示，单位为 J 。
AK=GH1－GH2
建筑系
材料性能学
材料性能学
第六章
材料的冲击韧性及低温脆性
建筑系
材料性能学
生产中很多机件和工具、摸具受冲击载荷的作用。Leabharlann 火箭的发射导弹的发射
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飞机起飞
飞机降落
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材料性能学
行驶的汽车通 过道路上的凹坑
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材料性能学
钢材的加工（锻造、冲 裁、模锻）
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材料性能学
冲击载荷与静载荷区别：加载速率（载荷施加于试样
的速率）不同，即形变（应变）速率不同。 为了评定材料承受冲击载荷的能力，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。本章主 要介绍：
评定材料承受冲击载荷的能力；揭示材料在冲击载荷下 的力学行为。 主要介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能特点以及 金属材料的低温脆性。
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§6.1 冲击弯曲试验及冲击韧性
一、冲击弯曲试验
1.一次冲击弯曲试验 （1）试验仪器：摆锤式冲击试验机；
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（2）标准试样：国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分 别为:夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样， 冲击吸收功分别记为AKU 和AKV。几何尺寸为：
陶瓷、铸铁或 工具钢等脆性材 料的冲击试验常 用无缺口试样
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材料性能学
②测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验 （低温冲击试验）可获得AK与温度的关系曲线，据此确 定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。
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. AK值越大，说明材料对缺口越 不敏感。
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2.多次冲击试验
大量试验结果表明，很多材料即 使承受剧烈的冲击载荷作用，也 很难一次断裂。因此就出现了多 次冲击试验。
实践表明，试件破坏前承受 的冲击次数少于500-1000次时， 断裂规律与一次冲击相同；破坏 前的冲击次数＞105时，呈现出典 型的疲劳断口特征。
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多次冲击试验采用PC-l50型落锤式多次冲击试验机。 冲击频率(冲击次数)：450周次/min 和600周次/min。