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。
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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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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
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第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
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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
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NDT判据
（1）T工作≥NDT，工作温度必须在NDT以上， 允许的应力水平为35~56MPa （2） T工作≥NDT+17℃，允许σ工作<σs/2，裂纹 不会扩展 （3） T工作≥NDT+33℃（FTE)，允许σ工作<σs， 只发生塑性撕裂
冲击强度是度量材料在高速冲击下的韧性大小 和抗断裂能力的参数，是标准试样在冲击断裂 时单位面积上所消耗的能量
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一、冲击弯曲试验
1.一次冲击弯曲试验 冲击功 Ak=G(H1-H2) 衡量材料抵抗冲击 能力的指标
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2. 化学成分的影响：
间隙溶质元素（碳、氮、氢）含量增加，高阶能 下降，韧脆转变温度提高。
溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为 间隙固溶体
含碳量对钢的韧-脆转变温度的影响
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加入臵换型溶质元素（Ni、Mn例外），也降低 高阶能，提高韧脆转变温度，但是效果不明显
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(2)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称为塑性断裂转变温度,记为FTP。 高于FTP的断裂，将得到100％的纤维状断口。 (3) FTE： 低阶能和高阶能平均值 对应的温度。 (4) V15TT： 以AKV=15尺磅(20.3N· m) 对应的温度。
4．温度的影响 主要是“蓝脆”的影响 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
6.试样形状和尺寸的影响
缺口曲率半径越小，tk越高，V型>U型
试样宽度（厚度）增加，tk升高
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四、抗脆断设计及其试验
韧脆转变温度tk反映了 温度对材料韧脆性的影响 是从韧性角度选材的重要依据 低温服役构件： 最低使用温度必须高于tk， Δ=t-tk，Δ=20~60oC
(1)冲击韧度或冲击值αKU(αKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)
KV ( KU )
A KV ( A KU ) FN
KV(KU)是一个综合性的力学性能指标，与材料
的强度和塑性有关，单位为J／cm2
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三、影响材料低温脆性的因素
1.晶体结构的影响：
体心立方金属及其合金存在低温脆性（迟屈服）
钢、密排六方金属中的锌和铍及其合金
面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性
奥氏体钢、镍、铝、铜等 高强度体心立方金属，如高强度和超高强度钢， 由于其在很宽的温度范围内冲击值都很低，低脆 现象不明显
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②不同的A要求不同的强度与塑性配合。
③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。
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低温脆性（T<tk） 韧性状态转变成脆性状态 冲击吸收功明显下降 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理 断口特征由纤维状变为结晶状 tk为韧脆转变温度或冷脆转变温度
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面心立方材料，冲击 韧性很高无低温脆性现象
高强度体心立方合金， 室温下冲击韧性很低， 韧脆转变现象不明显 中、低强度体心立方金属及合金或某些密排六方 晶体金属及合金，冲击韧性对温度敏感，冷脆材料
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二、韧脆转化温度及其评价方法
韧性是材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力 1、能量法：
(1) 低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化， 形成一平台。 低阶能开始上升的温度为tk为 无塑性或零塑性转变温度(即 NDT) NDT以下，断口由100％结晶区 (解理区)组成。
三、冲击脆化效应 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。因为位错宽 度及其能量与位错运动速率有关，位错运动速率的 增加将使派纳力增大。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。
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（2）金相组织 钢中各组织按脆性转变温度tk由高到低的顺序为： 珠光体—上贝氏体—铁素体—下贝氏体— 回火马氏体 第二相尺寸增加，材料韧性下降，韧脆转化温度 升高 球状第二相的韧性比较好
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冲击功可分为：弹性变形功Ac， 塑性变形、变形强化和裂纹形成过程吸收的功Ap 裂纹扩展功Ad
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①强度高，塑性低，无裂纹扩展部分，裂纹难形成， 裂纹极易失稳扩展 ②强度较高，裂纹较难形成，具有一定的抵抗裂纹 扩展的能力 ③强度低，具有较好的抵御裂纹扩展的能力
冲击弯曲试验标准试样
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断口形貌 试样的安放
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冲击试验机种类
悬臂梁
简支梁
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2.冲击试样断裂过程分析
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高分子材料的低温脆性
PVC、PMMA、PS、PC、 PA-6、ABS、LDPE、HIPS
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σc随温度变化很小
体心立方或密排六方 σs随温度升高急剧降低 T>tk，σc>σs,韧性断裂 T<tk，脆性断裂 面心立方 σs’随温度变化不大 脆性断裂现象不明显
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1.落锤试验
锤头半径25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC
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按照温度由高至低依次变化：
（1）试样只发生塑性变形不开裂 （2）拉伸面靠缺口附件出现裂纹，未扩展至两侧 （3）裂纹发展至试样一侧或两侧 （4）试样完全脆裂 一般规定裂纹能扩展到试样一侧或横贯板宽的 最高温度为无塑性转变温度NDT
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2、断口形貌法：
(1)断口形貌： 纤维区、放射区(结晶区)、 剪切唇，t不同，相对面积 不同，面积～t曲线 (2)50%FATT(FATT50,t50)： 取结晶区面积占整个断口 面积50％时的温度为tk 。
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2.多次冲击试验 (1)冲击次数少于500-1000次， 与一次冲击相同； 冲击次数＞105时，典型 的疲劳断口特征。
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二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
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§3.2 低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。 冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 评定材料： 低温脆性 蓝脆
重结晶脆性
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