材料性能与测试课件-第三章材料的冲击韧性和低温脆性-2014

1、剥落破裂 压缩应力波在 材料表面反转转变 为拉伸应力波作用 造成的。
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2、绝热剪切破坏
冲击速度大于600m/s时，发生绝热剪切破坏。是材料在 高速压缩载荷下所产生的两个效果完全相反的过程相互作 用的结果。一方面，流变应力随应变速率提高而增加(加工 硬化)，另一方面，随着应变速率增加，塑性变形局部化倾 向加大。在塑性应变集中区转化为热，导致该区域软化。 当材料软化倾向大于硬化倾向时，局部的软化进一步促进 变形集中。反过来，又进一步促进局部温度剧升，有时甚 至超过相变温度。由于应变速率很高，这一过程进行得很 快，可视为绝热过程。
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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℃)。
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
动态应力-应变曲线
随着应变速率增加，
材料的塑性变形抗力 (流变应力)增加。
图3-9 不同应变速率下 的应力-应变曲线
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OYF为应变速率趋 于无穷大时的应力应 变线，代表材料本构 方程中与时间无关部 分；终点连线FTR代 表材料在不同应变速 率下发生断裂的临界 条件。
高速载荷下的断裂
高速冲击载荷下材料的断裂机制不同于准静态。 实际应用上高应变冲击下拉伸断裂少见，常见的是 冲击压缩，如材料表面的撞击、炸药爆炸、子弹或 者炮弹击中靶子等。
§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 §3.3 落锤实验
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§简介
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷。与 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。
通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为tk
含锰1.39%低碳钢板冲击试验结果 (a) 冲击值-温度曲线；
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(2b4 ) 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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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。
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蠕变、准静态试验从热力学上看属于等温过 程。动态试验变形速率高，热力学绝热过程。以 Hopkinson压杆为主要方法的冲击试验的应变速 率在102－104/s量级。超速冲击试验的应变速率 为104－108/s量级，采用轻气炮装置，弹体撞击 实现。
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Hopkinson钢丝冲击拉伸实验
材料在高应变速率下的变形和断裂 不同于准静态载荷。 Hopkinson父子在19世纪初进行了 钢丝冲击拉伸实验，证明： 1)钢丝拉伸断裂处不在接触处A， 而在悬挂处B； 2)动态屈服强度约为静态屈服强度 的2倍； 3)钢丝在1.5倍静屈服强度下经100 微秒后才发生屈服，说明在动态载 荷下有延迟屈服现象。
GH-Gh=AK 冲击吸收功(AKU和AKV)
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一次冲击弯曲特点 实验简单易行，广泛应用；反应材料 冶金质量和热加工质量；评价冷脆倾 向，测定韧脆转变温度；
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2. 多次冲击试验－冲击疲劳
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 采用落锤式冲击实验 落锤式冲击实验：球、重 锤或者投掷枪由已知高度自 由落下对试样进行冲击，测 定使试样破裂所需能量。比 摆锤式更符合多冲实际。
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船身一分为二断裂的Schenectady号油轮
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低温脆性的利用
低温粉碎技术 例：废钢重熔前需要粉碎，电弧 切割法能耗大，效率低。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。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、钛合金，只需遵循 温度低于该金属的韧脆转化温度的原则即可。 新型器件 具有明显韧脆转化温度的金属往往在 低温下才发生。有没有室温附近有明显韧脆转化的 材料，通过简单的温度改变影响材料的脆性，制造 新型炸弹、逃生门、温度报警控制器等？
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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2. 由于高应变速率下应力水平比较高，许多位错 源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶 段的产生与发展。
3. 高应变速率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。
金属材料在高应变速率下塑性变形难以充分进 行。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。这种不 均匀限制了塑性变形的发展，导致脆性。
船体由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成。 船在冰水中撞击冰山，钢板变脆，焊缝变脆，船体产 生长裂纹，海水涌入使船迅速沉没。
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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。
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。
4) V15TT：以AKV=20.3N·m对应的温度。
2、断口形貌法：
特点：由纤维区F、放射区(结晶区)R、剪切唇S组成。 与拉伸断口的区别：t不同，相对面积不同。 冲击实验后绘制(结晶区面积R～t曲线)
拉伸断口和冲击断口的形貌示意图
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5) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)：
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若钢丝只发生弹性变形，其伸长正比于冲击产生 的应力并且与时间无关，在冲击过程中不发生其它能 量损失，依据能量守恒定律可以得到冲击拉伸时钢丝 内的最大应力σmax和钢丝末端的位移Y分别为：
括号的前项分别表示了静载下的应力和伸长，括 号内的项表示了冲击载荷的影响，称为冲击系数。
max

P S
(1
料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。
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二、冲击脆化
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； 塑性变形主要集中在局部区域。
冲击脆化具体原因：
1. 在高应变速率下，瞬时作用于位错上的应力高，结果 位错运动速率增加。位错运动速率增加增大派纳力，因 为运动速率越大，则能量越大，宽度越小，故派纳力越 大。结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。
淬火马氏体
低温回火马氏体
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高温回火索氏体
拿破仑的纽扣－低温脆性的危害
1812年，拿破仑兵败俄罗斯。原因战线拖得长、后勤 供应不上。但加拿大化学家潘妮·拉古德所著《拿破仑 的纽扣：改变历史的16个化学故事》写道：军扣的脆性 不容忽视；
军服采用锡制纽扣。锡有3种同素异形体-白锡、脆锡 和灰锡。常温白锡四方晶系，7.31g/cm3。-13.2℃白 锡成粉末状的灰锡。灰锡金刚石形晶系，5.75g/cm3 。 温度降低锡先现粉状小点，然后小孔，最后断裂。衣服 敞开许多士兵冻死冻伤。“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，锡在低温度 下的脆性，也是士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。”
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冲击韧性
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) 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
绝热剪切带可分为变形带和相变带。变形带晶粒严重畸 变，但结构未变；相变带结构变化，常称为“白亮带”。 在钢中它其实是未回火的马氏体。当绝热剪切变形发展到 一定程度后会沿着绝热剪切带产生裂纹，材料破坏。
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冲击功
A
冲断周数 K
多次冲击曲线
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3、冲击变形断裂特点
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。
1 2hES ) PL
Y PL (1 1 2hES )
SE
PL
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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：摆锤冲击试验机； 缺口试样[U型和V型]；
测试标准：GB229-84和GB2106-80
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举至H的位置(位能为GH)－释放摆锤－冲断试样 －摆锤至h的位置(位能为Gh)；