第三章材料力学性能

•有实验证明，在20~42K的极低 温度下，奥氏体钢及铝合金有冷 脆性。
§3 低温脆性 3.韧脆转化温度及其评价方法 1）系列温度冲击试验 冷脆转化温度的确定 a.能量准则法
采用标准Charpy V冲击试样， 将冲击试样在从高温(通常为室温) 到低温的一系列温度下进行冲击 试验。
V15TT：AKV=15磅尺=20.3J
b)α-Fe中加入能形成臵换固溶体 的元素，一般也不同程度地提高 和扩大其冷脆转变温度和范围。 因为Si、Cr等降低层错能，促进 位错扩展，形成孪晶、交滑移困 难。
§4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 Ni减小低温时的σi和ky，故韧性 提高；
Ni还增加层错能，促进低温时螺 位错交滑移，使裂纹扩展消耗功 增加，故韧性增加。 c)杂质元素S、P、Pb、Sn、As等， 会降低钢的韧性。
1 2
没有明显作用，故断裂强度σc随温 度的变化很小。
低温脆性的本质
屈服强度σs和断裂强度σc两条曲 线相交于一点，交点对应的温度 即为tK 当温度大于tK时，σc＞σs， 材料受载后先屈服再断裂，为韧 性断裂；
当温度低于tK时，应力先达到 断裂强度σc，材料表现为脆性断裂。 体心立方金属的低温脆性还与 迟屈服现象有关。
1.试样 10mm×10mm× 55mm的U型 或V型缺口试样，分别称为夏比 (Charpy)U 型缺口试样和夏比V 型缺口试样。习惯上前者又简 称为梅氏试样，后者为夏氏试 样。 对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材 料，采用10mm×10mm×55mm 的无缺口试样。
梅氏试样
夏氏试样
试样开缺口的目的：使试样在承 受冲击时在缺口附近造成百度文库力集 中，使塑性变形局限在缺口附近 不大的体积范围 内，并保证试样 一次就被冲断且使断裂就发生在 缺口处。缺口 愈深、愈尖锐，冲 击吸收功愈低。
低阶能：NDT 无塑性或零塑性转变温度 高阶能 ：FTP 塑性断裂转变温度 FTE=(NDT+FTP)/2
§3 低温脆性 b.断口形貌法
取断口上出现50%纤维状的韧性断 c.断口变形特征准则 口和50%结晶状态的脆性断口时对 试样表面相对收缩或膨胀为某一 应的温度为断口形貌转变温度 定值（1% 或3.8%）或膨胀与收 50%FATT或FATT50 。 缩部分的边长差值为0.38mm时 的温度，为脆性转变温度。
偏聚于晶界，降低晶界表面能， 4) 金相组织 产生沿晶脆性断裂，同时降低 脆断应力 •在较低强度水平，强度相同时， 3）晶粒尺寸 韧性 S B P球 P片 细化晶粒能使材料的韧性增加， 韧脆转变温度降低。
A F
k k
N
1. AK和ak的意义 AK:冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收总能量。 AK ＝试样变形、破裂吸收能量＋试样掷出功＋机座振动功等等
二、冲击韧性
AK相同的材料，其韧性不一定 相同。
ak=Ak/FN无明确物理意义 冲击弯曲截面应力分布不均，塑 性变形不均, 主要集中于缺口附 近，吸收功也集中于此。 只是材料抗冲击断裂的一个参考 性指标。只能在规定条件下进行 相对比较，而不能代换 到具体零 件上进行定量计算
§3 低温脆性 用不同准则定义的脆性转变 温度，由于不同准则的物理意义 不同，确定的脆性转变温度也不 一致， 甚至相差很大。 tK是安全性指标，是从韧性角度 选材的重要依据之一，可用于材 料的抗脆断设计。 2）落锤试验 系列缺口冲击试验确定的脆 性转变温度，并不能代表实物构 件的脆性转变温度，其所确定的 脆性转变温度总是偏低。 主要是因为缺口冲击试样的尺 寸小，其几何约束要比厚、宽 的实物构件小，脆化程度也小
§2 冲击弯曲和冲击韧性 2.试验方法及原理
AK、AKU、AKV mgH1-mgH2
§2 冲击弯曲和冲击韧性 二、冲击韧性 冲击韧性是指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 AK 表示。 用试样缺口处的截面积SN (cm2)去除AKV (AKU )，即可得到试样的 冲击韧性或冲击值
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 §4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 1.材料因素 2）化学成分
1）晶体结构的影响 a）低、中强度的bcc金属及其 合金如钢、hcp金属中的Zn、 Be及其合金，有冷脆现象。
b）高强度的bcc金属，如高强 度及超高强度钢，冷脆转变不 明显。
a)在体心立方金属α-Fe中加入能 形成间隙固溶体的元素，如碳、 氮、氢等，使冲击韧性减小，冷 脆转变温度提高，且含量愈大影 响愈大。
低温脆性 影响韧脆转变温度的冶金因素
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
§1 冲击载荷下金属变形 二、冲击载荷下变形和断裂 一、冲击载荷的特点 1. 弹性变形： ★冲击载荷下，由于载荷的能量 弹性变形在金属中传播速度很快， 性质使整个承载系统承受冲击能，接近声速(钢中为4982m/s)。普通 所以机件、与机件相连物 冲击试验时变形速度只有5 ~ 体的刚度都直接影响冲击过程的 5.5m/s，高速冲击试验的变形速 时间，从而影响加速度和惯性力 度也在103 m/s以下。所以，变形 速度对金属的弹性形变行为及性 的大小。 ★由于冲击过程持续时间短，测 能基本无影响。 不准确，难于按惯性力计算机件 2. 塑性变形及断裂 内的应力，所以机件在冲击载荷 ★塑性变形是位错运动的结果。 下所受的应力，通常假定冲击能 由于加载时间及载荷持续时间非 全部转换为机件内的弹性能，再 常短暂，所以作用力很大，作用 按能量守恒法计算。 于位错上的力很大。
落锤试验 试验之前，将试样在所选的低温条 件下保温30～45min，然后迅速将 其移至支座上，使有焊肉的轧制面 向下处于受拉侧，然后落下重锤进 行打击。 一般规定裂纹能扩展到试板 试板的力学行为按温度由高到低依 一侧边或横贯板宽的最高温度 次发生如下的变化： 为无塑性转变温度，用NDT表 a）试板只发生塑性变形，不开裂。 示。NDT 的含义实际是当T＜ b）试板拉伸面靠缺口附近出现裂纹， NDT时，钢板碎裂。T＞NDT 但裂纹只在缺口附近的塑性变形区 时，含有大裂纹的试板不会碎 内，末扩展到两侧边。 裂。 c）裂纹发展到试板一侧边或两侧边。 d）试件完全碎裂。
与位错的交互作用集聚于位错线 附近形成柯氏气团，既增加σi， c) fcc金属(如奥氏体钢、Ni、Al、 又使ky增加，致使σs升高，所以 Cu铜等)，一般情况下可认为无 钢的脆性增大。 冷脆现象。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 在α-Fe中加入Ni和Mn，能显著 地降低冷脆转变温度并提高韧断 区的冲击值。
二、冲击韧性 缺口冲击弯曲试验主要用于揭示 材料的变脆倾向 1) 用于控制材料的冶金质量和铸 造、锻造、焊接及热处理等热加 工工艺的质量。 2）根据系列冲击试验(低温冲击 试验)评定材料的冷脆倾向， 供 选材时参考或用于抗脆断设计。 3）对于σs大致相同的材料，用 AKV （AKU ）可以评定材料对大 能量一次冲击载荷下破坏的缺口 敏感性。 4）利用Charpy V缺口冲击试验 试样尺寸小、加工方便、操作容 易、试验快捷等优点，通过建立 冲击功与其他力学性能指标 间 的联系，代替较复杂的试验如 KIC。
冲击载荷下变形和断裂
★塑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。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 §2 冲击弯曲和冲击韧性 一、冲击试验方法和原理
落锤试验方法用于测定全厚钢 板的NDT， 以作为评定材料的 性能指标。
落锤试验 试样厚度与实际使用板厚相同， 典型尺寸为25×90×350mm3、 19×50×125mm3或16×50×125 mm3。 在试样宽度的中点沿长度方向堆 焊一层脆性合金(长64mm、宽约 15mm、厚约4mm)，焊块中用薄 片砂轮或手锯割开一个缺口，其 宽度小于1.5mm，深度为焊块厚 度的一半，缺口方向与试验的拉 力方向相垂直，用以诱发裂纹。
包括试样在冲击断裂过程中吸 收的弹性变形功、塑性变 形功 和裂纹形成及扩展功等。简单 的冲击试验不能 将这些不同阶 2.冲击试验的应用 对组织缺陷非常敏感，可以灵敏 段消耗的功区分开来，因此冲 地反 映出材料品质、宏观缺陷 击功只 能是一种混合的韧性指 及显微组织的微小变化 标，在设计中不能定量使用。
低温脆性的本质 对材料施加一大于σs的高速载荷时材料并不立即产生屈服，而 需要经过一段孕育期才开始塑性变形。在孕育期间只产生弹性变形， 而没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的扩展，从而表现为脆性 破坏。
fcc金属位错宽度比较大，σi对 温度变化不敏感， σs随温度的 下降变化不大。近似为一水平 线,故一般不显示低温脆性(虚线)
§3 低温脆性 并不是所有的材料都会产生 低温脆性 高分子材料： 2.低温脆性的本质 低温脆性是材料屈服强度随温度 下降急剧增加的结果。
kd 2 对于bcc、hcp金属，σi对温度变化 非常敏感，温度下降，σi提高，σs 升高；
s i y
1
聚丙烯
热激活对裂纹扩展的力学条件
2E s c a
§3 低温脆性 一、低温脆性现象及物理本质 1. 现象
当温度低于某一温度tk时， 材料由韧性断裂转变为脆性断裂， 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的现 象，称为低 温脆性或冷脆
转变温度tk称为韧脆转变温度
§3 低温脆性 并不是所有的材料都会产生 低温脆性 金属材料： 1) 对fcc金属及其合金如Cu和 Al等，它的冲击韧性很高； 温度降低时冲击韧性的变化 不大，不会导致脆性破坏； 即这种类型材料本身就是较脆的， 这类材料 一般可认为无低温 韧脆转变的现象也不明显。 脆性现象。 3)对低、中强度的bcc金属以及Be、 (2)对高强度的bcc合金，其 Zn等合金，这些材料的冲击韧性对 在室温下的冲击韧性就很低， 温度是很敏感的。 当材料内有 裂纹存在时，可 以在任何温度和应变速率时 发生脆性破坏。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 §3 低温脆性 苏联作家鲍利斯彼斯特纳克 的诺贝文学奖作品《日瓦戈 医生》二十世纪初，俄罗斯 西伯利亚铁路断轨事故。 二战中，美国5000艘全焊接“自 由轮”。在1942年-1946年间发生 破断的达1000艘，1946年-1956年 间发生破断的达200艘。1943年1 月美国的一艘T-2y油船停泊在装 货码头时断裂成两半截。当时甲 板应力仅为70MPa，远远低于船 板钢的强度极限
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 加载速率对力学性能的影响 增加应变速率，抗拉强度随 之增加 ，塑性随之下降。 当应变速率在10－4~10－2S －1 内，金属力学性能变化不大 当应变速率大于10－2S-1，发 生显著变化。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
冲击载荷下金属变形 冲击弯曲和冲击韧性
§1 冲击载荷下金属变形 a.由于冲击载荷下应力水平比较 这种不均匀限制了塑性变形的发 高，使许多位错源同时起作用， 展，导致了屈服强度、抗拉强度 结果抑制了单晶体中易滑移阶段 的提高和塑性的降低。 的产生与发展; b.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。 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。
在法国诺 曼底登陆 参战的 “欧布兰” 号自由轮
§3 低温脆性 寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故， 约为总事故 的30 % ~40%。 1945年至1948年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界 大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列 冲击试验，可测得材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度 降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变 为脆性状态。这种现象称为“冷脆”。