第三章材料的冲击韧性及低温韧性
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第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
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
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
(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。
含碳量对钢的韧-脆转变温度的影响
加入置换型溶质元素（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
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体 称置换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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
①A高时，取决于塑性； A低时，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。
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。
的强度和塑性有关，单位为J／cm2
(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。
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பைடு நூலகம்度：
四、抗脆断设计及其试验
细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
（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
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
tk为韧脆转变温度或冷脆转变温度
➢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
高分子材料的低温脆性
PVC、PMMA、PS、PC、 PA-6、ABS、LDPE、HIPS
2、断口形貌法：
(1)断口形貌：
纤维区、放射区(结晶区)、 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 。
剪切
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
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
冲击弯曲试验标准试样
试样的安放
断口形貌
冲击试验机种类
悬臂梁
简支梁
2.冲击试样断裂过程分析 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
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
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。
§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
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
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
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
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。
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(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)AKVF(N AKU)
KV(KU)是一个综合性的力学性能指标，与材料
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
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。
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
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
(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。
含碳量对钢的韧-脆转变温度的影响
加入置换型溶质元素（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
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体 称置换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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
①A高时，取决于塑性； A低时，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。
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。
的强度和塑性有关，单位为J／cm2
(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。
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பைடு நூலகம்度：
四、抗脆断设计及其试验
细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
（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
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
tk为韧脆转变温度或冷脆转变温度
➢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
高分子材料的低温脆性
PVC、PMMA、PS、PC、 PA-6、ABS、LDPE、HIPS
2、断口形貌法：
(1)断口形貌：
纤维区、放射区(结晶区)、 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 。
剪切
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
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
冲击弯曲试验标准试样
试样的安放
断口形貌
冲击试验机种类
悬臂梁
简支梁
2.冲击试样断裂过程分析 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
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
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。
§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
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
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
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
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。
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(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)AKVF(N AKU)
KV(KU)是一个综合性的力学性能指标，与材料
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
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。