第三章材料的冲击韧性及低温脆性

▲低温脆性与冷脆转变温度
体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属 及合金、尤其是工程上常用的中、低强度结构 钢，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 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，这就是低温脆性。转变温度tk称为 韧脆转变温度或冷脆转变温度。
目前尚无简单的判据求
韧脆转变温度tk。通常只
是根据能量、塑性变形或 断口形貌随温度的变化定
义tk。为此，需要在不同
温度下进行冲击弯曲试 验，根据试验结果作出冲 击吸收功、断口形貌和温 度的关系曲线等，根据这
些曲线求tk。
根据能量判据和断口形貌判据定义tk
（1）无塑性或零塑性转变温度（NDT）
当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度 而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。以低阶 能开始上升的温度定义tk，并记为NDT（Nil Ductility Temperature）,称为无塑性或零塑性转变温度。
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
• 生产中很多机件和工具、摸具受冲击载荷的作
用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、行驶的汽车 通过道路上的凹坑，及材料的 压力加工（锻造、冲 裁、模锻）等。为了评定材料承受冲击载荷的能力， 揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应 的力学性能试验吧。 • 本章主Байду номын сангаас介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能
• （2）测定材料的韧脆性转变温度。根据系列 冲击试验（低温冲击试验）可获得AK与温度的 关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供 选材参考或抗脆断设计。
• （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.
二、多次冲击
1.试验原理
模拟实际零件工作状态，用落锤式多冲试验机，以450 次/分—600/分的频率，对试样进行小能量多次冲击，观 察样品的破坏情况，考核冲 击功A与样品断裂时的冲击次 数N之间的关系，绘制A—N 曲线。用某种冲击能量A下的 冲断周次N或用要求的冲击工 作寿命N时的冲断能量A来表 示试样的多冲抗力。
2.试验结果
样品破坏前 N ﹤1000～500次者，破坏规律及形态与一 次冲击相同；
样品破坏前 N﹥100000次者，破坏规律及形态与疲劳相 似。可概括为如下一些规律： （1）冲击能量高时，材料的多次冲击抗 力主要取决于塑 性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 （2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 （3）材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。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。
特点以及金属材料的低温脆性。
§3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性
一、冲击弯曲试验 1.试验原理
摆锤冲断试样失去的位
能为GH1－GH2此即为试
样变形和断裂所吸收的 功，称为冲击吸收功，以 AK表示，单位为 J 。
AK=GH1－GH2
2. 标准试样
• 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为: 夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样， 冲击 吸收功分别记为AKU 和AKV。几何尺寸为：
定材料的韧脆转变温度。
一、系列冲击实验与低温脆性
1. 系列冲击试验: 对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进
行时可以得到一系列冲击值AK（或ak），将这些冲击值与 所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线 将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与 温度的关系曲线，即AK—t0C或ak-t0C。这种不同温度下的 冲击试验称为系列冲击试验。
▲AK—t℃（aK-t℃）曲线
Ni
AK aK
（
）
Zn
Fe
Mg
t
2.低温脆性
体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合 金、尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，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，这就是 低温脆性。转变温度Tk称为韧脆转变温度或冷脆转变 温度。
3.工程意义
（1）考核材料的多次冲击抗力； （2）作为受多次冲击零件的设计依据。
三．冲击脆化效应
1.冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变率 对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。而应变 速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影 响。
2. 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，使派纳力τp-n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。
3.金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。 在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域， 这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强 度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强 度提高得较少。
4.塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式 有关。
§3.2 金属材料的低温脆性
◆上节回顾： ◆冲击弯曲实验，冲击吸收功AK 、冲击韧度aK。 ◆工程意义： 1.反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量； 2.评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性；
3.根据系列冲击试验获得AK与温度的关系曲线，确
3.工程意义
（1）获得冲击韧度或冲击值aKV (aku) ， aKV (aku) = AKU（AKV）/ FN (J/cm2）
过去常以aKV (aku) 作为衡量材料韧脆的力学性能指标， 进一步的研究表明，其物理意义不明确，近年来已不大使 用，衡量材料韧脆多直接用冲击值AKU（AKV）。它能反映 出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测量AK 值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹 杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可检查 过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。
Ak T
3.低温脆性产生的原因
宏观原因：
材料低温脆 性的产生与其屈 服强度σS和断 裂强度σ 随温
C
度的变化有关。
微观原因：体心立方金属的低温脆性与位错
在晶体中运动的阻力σI对温度变化非常敏感有 关, 温度下降σI大幅度升高，位错运动难以
进行；体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现
象有关。
二、材料韧脆转变温度及其评价方法