材料性能与测试课件-第三章材料的冲击韧性和低温脆性

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图3-3 钢的脆性转变温度
韧脆转化温度tk及其评价方法
1、能量法: (1)无塑性或零塑性转变温度 NDT(Nilductility temp): 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。 ②低阶能开始上升的温度为tk。 NDT以下,断口由100%结晶区(解理 区)组成。
2、断口形貌法: (1)断口形貌:
由纤维区F、放射区(结晶区)R、剪切 唇S组成。 和常见拉伸断口的区别: t不同,相对面积不同。 (面积~t曲线)
(2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp):
通常取结晶区面积占整个断口面积 50 %
船身一分为二断裂的Schenectady号油轮
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低温脆性的利用
利用冷脆现象,人们发明了“低温粉碎技术”。以低温
钢铁粉碎技术为例:废钢在投入熔炉前需要进行粉碎,传统 的电弧切割法有能耗大,效率低的缺点。而使用低温粉碎时, 只需使粉碎温度低于废钢的韧脆转化温度,废钢就变得像玻 璃那样易碎了。为了达到此温度,可将废钢浸泡在液氮中, 或用低温的氮气冷却。低温粉碎技术还可以用来粉碎其他许 多金属如锆合金,只需遵循温度低于该金属的韧脆转化温度 的原则即可。 现在具有明显韧脆转化温度的金属往往在低温下才发生 这一转变。我们可以制造出在室温附近发生明显韧脆转化的 材料,借此我们可以通过简单的温度改变来影响材料的脆性, 以制造新型炸弹、逃生门、温度报警控制器等装臵。
图3-6 含锰1.39%低碳钢板系列冲击试验结果 (a) 冲击值-温度曲线;(b) 断口纤维区面积%-温度曲线; (c) 载荷-挠度曲线及断口形貌
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韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响,它是 安全性能指标,是从韧性角度选材的依据之一。 对于在低温服役的材料,最低使用温度高于tk,二 者之差愈大愈安全(差20-60℃)。
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图3-8 落锤实验设备
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落锤试验法的缺点:对脆性断裂不能定量 评定。没有考虑板厚的影响。 通过落锤式试验求得的NDT可以建立断裂 分析图FAD. 分析图FAD是应力、缺陷和温度之间关系 的综合图。它可以明确提供低强度钢构 件在温度、缺陷和应力作用下脆性断裂 开始和终止条件。
材料性能与测试
中南大学粉末冶金研究院 课件制作:曾凡浩
主讲:曾凡浩
(zengfanhao608@mail.csu.edu.cn)
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§目 录
许多机件工具模具受冲击载荷作用,如火箭的 发射、飞机的起飞降落、材料锻冲加工、防弹材料 等,本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点 及指标。
§3.1 冲击弯曲实验和冲击韧性 §3.2 低温脆性
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2008 年9 月25 日晚9 时10 分,中国自行研制的第 三艘载人飞船神舟七号,在酒泉卫星发射中心载人航 天发射场由“长征二号F”运载火箭发射升空。“长征 二号F”第三级火箭采用的是液氢液氧发动机,而在1 个大气压下,液氧的沸点是-183℃,液氢的沸点是253℃。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金的耐低温 特性,采用高强度铝合金材料制成。
图3-7 铁素体(体心立方)、奥氏体(面心立方)和奥氏体钢
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3、影响材料低温脆性的因素
1).晶体结构的影响:bcc、hcp有,fcc没有 原因:加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象 2).化学成分的影响:见下图
200 韧脆转变温度/℃ P C Cr Cu Mn Si
150
100 50 0 -50 -100

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低温脆性的危害
发生脆变时,裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s,无法 加以阻止,无任何征兆。 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城 先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究,这些事故正是材 料的冷脆造成的。 1912年当年最为豪华、号称永不沉没Titanic首航沉没于冰 海,成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取 自海底的Titanic号,右面的是近代船用钢板的冲击试样。 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板,韧性很差,特 别是在低温呈脆性。所以,冲击试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
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图3-1 冲击试验机、试样和原理图
2. 多次冲击试验 冲击次数小于500-1000次, 试样断裂规律和一次冲击相同; 冲击次数大于105次时,试 样破坏具有典型的疲劳断口特 征,冲击损伤积累结果。 A-K曲线:冲击功和冲断 次数曲线,反比关系
A 冲击功
冲断周数 K
3、变形断裂特点
图3-2 多次冲击曲线
图3-4 韧脆转变温度判据
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(2) FTP(fracure transition plastic): ①高阶能:高于某温度,吸收的能量基本不变,形成上平台。 ②以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。高于FTP的断裂,得到 100%的纤维状断口。 (3) FTE(fracture transition elastic):低阶能和高阶能平均值对应 的温度。 (4) V15TT:以AKV=20.3N· m对应的温度。
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在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成 300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击 冰山而裂开时,脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链, 使船体产生很长的裂纹,海水大量涌入使船迅速沉没。这 是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。
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1954 年冬天,在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行的英国32000 吨的“世界协和号”油船,突然发生船体中部断裂并沉没。 原因也是材料的冷脆。
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冲击载荷下,塑性变形集中在某些局部区域,极不均匀。 冲击载荷下:应力水平较高,许多位错源同时启动,抑制易滑移阶段 的产生和发展;增加位错密度,减少位错运动自由行程增加点缺陷浓 度等。导致强度提高。 塑性与韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。正断:减少; 剪断:不变或提高。
二、冲击韧性
1.一次冲击 (1)冲击韧度或冲击值a KU(aKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 aKU(aKV)=AKU(AKV)/FN (2)冲击功: GH1-GH2=AK (3)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;分析 断口判断缺陷; 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。 (3)多冲抗力取决于塑性和强度: ①A高时,多次冲击抗力主要取决于塑性; A低时,多冲抗力主要取决于强度。 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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§3.1 冲击弯曲实验与冲击韧性
一、冲击弯曲实验
1.一次冲击弯曲试验
试验原理:摆锤式冲击试验机; 缺口试样[U型和V型]; 举至H1的位臵(位能为GH1)- 释放摆锤-冲断试样-摆锤至 H2的位臵(位能为GH2); GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功(AKU和 AKV)。 测试标准:GB229-84和 GB2106-80。
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图3-7 落锤实验示意图
目前,NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂 设计根据的一部分,如: (1)NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于工 作温度,此时在高应力区的小裂纹处不会造成 脆性断裂; (2) NDT+33℃设计标准 对结构钢而言 NDT+33℃约为FTE,适用于原子能反应堆压 力容器标准。 (3) NDT+67℃适用于全塑性断裂,在塑性超 载条件下,仍能保证最大限度的抗断能力,适 用于原子能反应堆压力容器标准。

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§3.2 低温脆性
定义:材料在某一温度tk下由韧变脆, 冲击功明显下降,断裂机理由微孔聚集 变为穿晶解理,断口由纤维状变为结晶 状。如体心立方金属,某些密排金属合 金。 测量不同温度(低、室、高温)下冲击韧 性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK~t)。 tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 是安全性指标之一,最低使用温度必须 高于tk。 原因:温度影响位错 在晶体中运动的磨擦阻力, 降低温度,阻力上升。材料变脆。
§3.3 落锤实验
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冲击载荷静载荷的主要区别:加载速率不同。 形变速率(单位时间内的变形量)可间接地反 映出加载速率的变化。 相对形变速率又称为应变率(单位时间内应 变的变化量)。 实践表明:应变率在10-4 ~10-2S-1内,金属力 学性能没有明显的变化,可按静载荷处理。当 应变力大于10-2S-1时,金属力学性能将发生显 著变化。为了评定金属材料传递冲击载荷的能 力,揭示材料在冲击载荷作用下的力学行为, 需要进行相应的力学性能试验。
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三、冲击脆化效应
冲击载荷和静载荷失效相同点: 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂. 冲击载荷和静载荷失效不同点: 变形速率不同; 冲击载荷主要表现为脆性(脆化); 塑性变形主要集中在局部区域。 冲击脆化主要原因-塑性变形难以充分进行,集中在局部区域: (1)应变速率。 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响, 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)冲击载荷。 使金属产生附加强化; 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,增加点缺陷浓度等。
图3-5 拉伸断口和冲击 断口的形貌示意图
时的温度为tk 。
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在10℃时,断口为 100%纤维区,冲 击值很高,韧性状 态;温度降到- 25℃时,冲击值下 降一半,断口也出 现将近一半的结晶 区,处在韧性向脆 性转折的过渡状态; 当温度再降低至- 80℃时,冲击值非 常低,断口为100 %的结晶区,为完 全脆性状态。
Ni
wt%
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2
图3-8 合金元素对钢韧脆转变温度的影响
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3).显微组织的影响:细化晶粒增加韧性,降低tk; 例如:回火索氏体的冲击吸收功和tk最佳,回火贝氏 体次之,片状珠光体最差;
淬火马氏体
低温回火马氏体
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中温回火屈氏体
高温回火索氏体
拿破仑的纽扣-生活中的低温脆性
1812年,在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄 罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。 但加拿大著名化学家潘妮· 拉古德所著《拿破仑的纽扣:改变历 史的16个化学故事》中提到,一个简单的化学反应很有可能对 拿破仑的失败起了重要作用。 拿破仑部队军服上,采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然 而它有3种同素异形体—白锡、脆锡和灰锡。在常温下,我们通 常所看到的锡是银白色的白锡,白锡坚硬且稳定,四方晶系, 密度7.31g/cm3而在低温下(-13.2℃),白锡发生化学反应而变成 粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系,密度为5.75g/cm3因 此低温下白锡体积膨胀,锡上会出现一些粉状小点,然后会出 现一些小孔,最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33 度 时,晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣,数十万大 军在冰天雪地中敞开着衣服,许多人被活活冻死,还有一些人 得病而死。潘尼道:“毫无疑问,1812 年寒冷温度是造成拿破 仑征俄大军崩溃的主要因素,而锡在低温度下可变的特性,也 是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。”
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§3.3 落锤实验
落锤试验与断裂分析图 普通的冲击弯曲试样尺寸过小,不能反映实际构件的应力状 态,且结果分散性大,不能满足一些特殊要求。 50年代初, 美海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。
试样冷却到一定温度后放在砧座
上,使轧制面向下处于受拉侧,然 后落下重锤进行打击。随温度下降, 力学行为发生如下变化: 1). 不裂;2). 拉伸侧表面部分 形成裂纹,但末发展到边缘;3). 拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两 侧边;4). 试样断成两部分。 一般取拉伸侧表面裂纹发展来自百度文库一 侧边或两侧边时的最高温度为NDT.
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