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。
（3）低阶能和高阶能平均值对应的温度（ FTE） 以低阶能和高阶 能平均值对应的温度定义，并 记为FTE（Fracture Transition Elastic）。 （4）V15TT 以AKV=15 尺磅（20.3N·m）对应的温度定义,并 记为V15TT.这个规定是根据大量实践经验总结出 来的。
▲AK—t℃（aK-t℃）曲线
Ni
AK aK
）
Zn
Fe
（
Mg
t
2.低温脆性
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，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是 低温脆性。转变温度Tk 称为韧脆转变温度或冷脆转变 温度。
3.工程意义
（1）获得冲击韧度或冲击值aKV (aku) ， aKV (aku) = AKU（AKV）/ FN (J/cm2） 过去常以aKV (aku) 作为衡量材料韧脆的力学性能指标， 进一步的研究表明，其物理意义不明确，近年来已不大使 用，衡量材料韧脆多直接用冲击值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。
Ak
T
3.低温脆性产生的原因
宏观原因：
材料低温脆 性的产生与其屈 服强度σS和断 裂强度σC随温 度的变化有关。
微观原因：体心立方金属的低温脆性与位错
在晶体中运动的阻力σI对温度变化非常敏感有 关, 温度下降σI大幅度升高，位错运动难以 进行；体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现 象有关。
二、材料韧脆转变温度及其评价方法
2、化学成分的影响
间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度 提高。 钢中加入置换型溶质元素（Ni、Mn例外）一般也降低 高阶能，提高韧脆转变温度但这种影响较间隙溶质原子 小得多。 杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是 由于它们偏聚于晶界，降低晶界体表面能，产生沿晶脆 性断裂，同时降低脆断应力所致。
三、材料韧脆转变温度Tk的应用
Tk与δ、ψ、AK、NSR一样，也是安全性指标。Tk 是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设 计，或确定材料的最低使用温度，但不能直接用来设 计计算机件的承载能力或截面尺寸。 一般情况下使用温度T0应高于Tk 20~60℃，即 T0—Tk=△ △称为韧性温度储备。
• （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.
二、多次冲击
1.试验原理
模拟实际零件工作状态，用落锤式多冲试验机，以450 次/分—600/分的频率，对试样进行小能量多次冲击，观 察样品的破坏情况，考核冲 击功A与样品断裂时的冲击次 数N之间的关系，绘制A—N 曲线。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来表 示试样的多冲抗力。
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
• 生产中很多机件和工具、摸具受冲击载荷的作 用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、行驶的汽车 通过道路上的凹坑，及材料的 压力加工（锻造、冲 裁、模锻）等。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 的力学性能试验吧。 • 本章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。
目前尚无简单的判据求 韧脆转变温度tk。通常只 是根据能量、塑性变形或 断口形貌随温度的变化定 义tk。为此，需要在不同 温度下进行冲击弯曲试 验，根据试验结果作出冲 击吸收功、断口形貌和温 度的关系曲线等，根据这 些曲线求tk。
根据能量判据和断口形貌判据定义tk （1）无塑性或零塑性转变温度（NDT） 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，该能量称为“低阶能”。以低阶 能开始上升的温度定义tk，并记为NDT（Nil Ductility Temperature）,称为无塑性或零塑性转变温度。 （2）高阶能对应的温度 （FTP） 高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一 个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为 tk，记为FTP（Fracture Transition Plastic）。
4、温度的影响
碳钢和某些合金钢在冲击载荷作用下，在一定温度范围 内出现脆性。因为在该温度范围内加热钢时，表面氧化色 为蓝色，故此现象称为蓝脆。静拉伸时也可以看到钢的蓝 脆现象，但二者的蓝脆温度范围不同。在静拉伸时，蓝脆 的温度范围为230-370℃；在冲击载荷作用下，蓝脆最严 重的温度范围为525—550℃。 蓝脆是形变时效加速进行的结果，当温度升至某一适当 温度时，碳、氮原子扩散速率加快，易于在位错附近偏聚 形成柯氏气团。在冲击载荷作用下，形变速率较高，碳、 氮原子需要在较高温度下才能获得足够的扩散激活能，以 形成柯氏气团，故蓝脆温度升高。
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3、显微组织的影响 (1)晶粒大小
细化晶粒可使材料韧性增 加。细化晶粒提高韧性的原 因有：晶界是裂纹扩展的阻 力；晶界前塞积的位错数减 少，有利于降低应力集中； 晶界总面积增加，使晶界上 杂质浓度减少，避免产生沿 晶脆性断裂。
(2)金相组织
在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击 吸收功和韧脆转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火 组织次之，片状珠光体组织最差。 在较高强度水平时，中、高碳钢经等温淬火获得下贝 氏体组织，其冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的 淬火马氏体并回火组织。 在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于 下贝氏体。
§3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性
一、冲击弯曲试验 1.试验原理
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
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：
▲低温脆性与冷脆转变温度
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，断口特征由纤维 状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk称为 韧脆转变温度或冷脆转变温度。
◆上节回顾： ◆冲击弯曲实验，冲击吸收功AK 、冲击韧度aK。 ◆工程意义： 1.反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量； 2.评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性； 3.根据系列冲击试验获得AK与温度的关系曲线，确 定材料的韧脆转变温度。
一、系列冲击实验与低温脆性
1. 系列冲击试验: 对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进 行时可以得到一系列冲击值AK（或ak），将这些冲击值与 所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线 将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与 温度的关系曲线，即AK—t0C或ak-t0C。这种不同温度下的 冲击试验称为系列冲击试验。
5、加载速率的影响
提高加载速率，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高. 加载速率对钢脆性的影响与钢的强度水平有关。
6、试样形状和尺寸的影响
缺口曲率半径越小，tk越高，因此，V型缺口试样的tk 高于U型试样的tk 。 当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度（或厚度）时，tk 升高。若试样各部分尺寸按比例增加时，tk也升高。这是 由于试样尺寸增加时应力状态变硬，且缺陷几率增大， 故脆性增大。
（5）50%FATT 冲击试样冲断后,其断口也有纤维区、放射区（结晶区） 和剪切唇几部分；温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区 面积突然增大，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断 口面积50%时的 温度为Tk，并记 为50%FATT （Fracture Appearance Transition Temperature）或 FATT50、t50。