材料的冲击韧性和低温脆性

（4） 50％FATT（fracture appearance
transition temperature）结晶区面积百分比 的增大,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占 50％时的温度为韧脆转化温度，记为50％FATT
● （5） V15TT――以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N m)对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。 实践经验总结而提出 的方法.
冲 击 试 验 机
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●
● 二、 冲击韧性及其工程意义 ● ● 冲击韧性：材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功
的能力。 ● ● 冲击韧性是数学平均值，实际上缺口截面上的应力应变分布是
极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近， 取平均值无物理意义。
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●用途： ●1.反映原材料的冶金质量和热加工后产品
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如何确定Tk？ NDT？ 太可怕！ FTP？ 太保守！
以低阶能和高阶能 平均值对应的温度作 为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
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冲击功 结晶区面积(%)
温度
0 高阶能
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
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● 第四节 影响材料低温脆性的因素
●
内部因素
化学成分 晶体结构 宏观组织 金相组织
温度
外部因素
加载速率
试样尺寸和形状
•1． 晶体结构的影响： 面心立方晶格的金属，如铜、 铝、奥氏体钢，一般不出现解理断裂而处于韧性状态，
也没有韧-脆转变，其韧性可以维持到低温。
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2． 化学成分的影响：
Δ＝t0- tk, Δ值越大， 则材料越安全。
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Ø 通常， Δ值取40～60℃已足够。一般受冲击条件下取60℃，非 重要机件取20℃，中间取40～60℃。
Ø 必须注意，引起材料失效的原因很多，很难从断口反过来寻找断 裂原因。
Ø 由于定义tk的方法不同，同一材料所得的tk值必有差异；同一材 料，使用同一定义方法，由于外界因素的改变，tk值也有变化。
（64×15×4mm），焊块中割开一个缺口，宽 度≤1.5mm，深度为焊块厚度的一半，用以诱发 裂纹。
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●试验过程： ●试样冷却到一定温度后放在砧板上，使焊肉
的轧制面朝下处于受拉侧，然后重锤落下进 行打击。随温度下降，其力学行为发生如下 变化： ●不裂 → 拉伸侧表面部分形成裂纹，但未发展 到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧或两侧 边缘→试样断成两部份。 ●一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧或两侧边 的最高温度为NDT。
不仅如此，马氏体板条束的宽度对韧脆转 变温度也有较大影响，如图3-14所示。
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5.温度
结构钢在某些 温度范围内，冲击 功急剧下降，如图 3－15所示。
冲击功AK
冷脆
蓝脆
重结晶脆性
O
A1 温度℃
图3-15 钢的常见脆性温度范围
冷脆：是结构钢在船舶、压力容器、桥梁等
大型结构应用中的关键问题之一。
呈放射状特征，与此同时
载荷下降，尚未断裂的面
积已比较小，且处于试样
边缘，变形比较自由，从
而形成二次纤维区及剪切
唇。实物断口形貌如图3
－7所示。
图3－7 韧性材料冲击试样断口形貌
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Ø 三、落锤试验和断裂分析图
•1.落锤试验 •美国海军派林尼（W.S.Pellinni）提出的测 定全厚钢板的NDT的材料性能评定标准。
●在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛 等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响 韧脆转变温度的，它和热处理后的组织密切相细化晶粒降低冷脆转变温
度，晶粒细，滑移距离短，
在障碍物前塞积的位错数
目较少，相应的应力集中
较小，而且由于相邻晶粒
取向不同，裂纹越过晶界
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Ø反韧映脆了转温变度温对度材tk，料也韧是脆金性属的材影料响的。韧性指标,它 Ø也是安全性能指标，是从韧性角度选材的重要
依据之一，可用于抗脆断设计。 Ø尺tk值寸不。能直接用来计算材料的承载能力或截面 Ø度tk 。值很可显以然直，接材或料间的接实的际估使计用材温料度的t最0应低大使于用t温k。 Ø对于低温使用的材料要有一定的韧性温度储备，
Ø本章将着重讨论缺口试样冲击弯曲 试验方法，以及金属材料的低温脆 O 性。
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快速拉伸 静拉伸
ε
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂特点 Ø机件在冲击载荷下的失效形式仍为过量弹性
变形、过量塑性变形和断裂。 Ø由于冲击时间会很短，因此，机件在冲击载
荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换 成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 Ø金属中弹性变形的传播速度非常快（钢 中， 为4982m/s）摆锤绝对变形速度只有5～ 5.5m/s。因此，加载过程中，应变率对金属 材料的弹性行为及弹性模量无影响。 Ø但是应变率对金属材料塑性变形、断裂及有 关的力学性能却有显著的影响。
力，也适用于原子能反应堆压力容器标准。
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● 落锤试验的缺点是，对脆性断裂不能给予定量评定。 ● 试验使用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需研究。 ● 对板厚的影响也未考虑。
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➢ 2、断裂分析图 （FAD）
➢ 断裂分析图即: 表示许用应力、缺
陷（裂纹）和温度之 间关系的综合图解。
有转折，需要消耗更多的
能
量
；
● 晶界对裂纹扩展有阻碍作 用，裂纹能否越过晶界， 往往是产不产生失稳扩展 的关键。晶粒越细，则晶 界越多，阻碍作用越大。
图3－13
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4.金相组织
对于钢而言，各种 组织按韧脆转变温度由 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
图3－14 马氏体板条束宽度与 韧脆转变温度的关系
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冲击功AK
蓝脆：碳钢和某些 合金钢在一定温度
冷脆
蓝脆
重结晶脆性
范围内出现脆性，
由于在该温度范围
内钢表面被氧化呈 蓝色，故称蓝脆。
O
525~550℃ A1 温度℃
图3-15 钢的常见脆性温度范围
静载荷与冲击载荷下都可以看到钢的蓝脆现象，
但二者的温度范围不同：静载荷下为237～370℃；冲
图3－5 系列温度冲击试验曲线
韧性材料冲击试样 断口形貌如图3－6所示。 缺口根部为三向应力状 态，裂纹源在脚跟形纤 维状区产生，因为试样 中部约束较强，裂纹扩 展较快，故形成缺口前 图3－6 韧性材料冲击试样断口示意图 方的脚跟形纤维区。
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裂纹失稳扩展后形成
试样中心的结晶状断口区，
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第二节 冲击弯曲试验与冲击韧性
●
● 一、 冲击弯曲试验
● 1． 一次冲击弯曲试验 ● 夏比U型缺口和V型试样10×10×55mm
aKV
AKV FN
, J / cm2
● AkV=mgH1-mgH2=mg(H1-H2)
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图3-2
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图3-3
➢
测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用 10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。 缺口试样冲击吸收的功AK并非完全用于试样变形和断裂，其中一部分 用于试样掷出、机身振动以及各种阻力消耗。这些功通常是忽略不计 的。但当摆锤轴线和缺口中心线不一致时误差可达10％～30％。
质量。 Ø变2.温根度据。Ak以－评温定度材曲料线的，低测温定脆材性料倾的向韧。脆用转
于抗脆断设计。并为机件服役条件设定温 度范围。 Ø冲3.击对破于坏σs的相缺同口的敏材感料性，。评定材料对大能量
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● 第三节 低温脆性
●
●
●一、 系列冲击实验与低温脆性
Ø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，断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理 断口特征，断口由纤维状变为结晶状，这 就是低温脆性。
Ø转变温度tk称为“韧脆转变温度”，或称 为“冷脆转变温度”。
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➢ 材料低温脆性的产生与 材料的屈服强度与断裂 强度随温度变化趋势有 关，断裂强度随温度变 化很小，而屈服强度变 化较明显。这是因为微 观上位错运动阻力对温 度变化比较敏感－－低 温脆性的物理本质。
图3－4
➢ 面心立方金属一般无低 温脆性现象。
图3-9表示了各种 尺寸裂纹条件下含 裂纹材料的断裂应 力σc。
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●断裂分析图为低碳钢构件防止脆断和选材提供了一 个有效方法。
●该图对分析事故原因也有指导作用。
●该图同样没有考虑加载速率以及板厚的影响。
●本断裂分析图是在25mm板厚的基础上建立起来的， 因 此 当 板 厚 增 加 时 ， 约 束 增 加 ， 相 应 的 C AT （ A’ B C ） 也 要 随 之 增 加 。 （ C AT: 断 裂 中 止 线 ）
➢ bcc金属较fcc更容易脆 断。
•为何有些材料有明显韧脆 转变温度而有些则没有？
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•二、 韧脆转变温度及其评 价方法
•机件的最低使用温度必须高 于冷脆转变温度
•能量判据与断口形貌判据
温度
0 高阶能
冲击功 结晶区面积(%)
● （1） NDT（nil ductility temperature），低能级温度 ――冲击能量基本不随温度而变 化。
● 将低阶能开始上升的温度定义为
韧-脆转化温度，记为NDT。