冲击韧性与疲劳极限(模块一)

旧标准GB/T229－1994 名称 冲击吸收功 符号 AK
U型缺口冲击吸收功 (2mm锤刃)
AKU
V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量
转变温度
KV 8
Tt
V型缺口冲击吸收功 (2mm锤刃)
AKV
韧脆转变温度
TC
• 低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变 为脆性状态的现象 。 • 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降 并引起脆性破坏的现象。 • 冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击 韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急 剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这 一温度称为转变温度（ Tt ）。 • 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好， 对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。 • 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
• 冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受 较大的冲击载荷。
• 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大， 越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的 材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材 料。
一次摆锤冲击试验原理
• 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试 验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机 架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 • 所以，摆锤用于冲断试样的能量
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质量
直接有关
1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了 20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打 捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于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，当船在 冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船 迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆 性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。
和无规则随机变动应力两种。
金属疲劳概念
• 金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作
应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。
• 疲劳破坏的特征：疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断 裂前没有预兆，而是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低， 常常低于材料的屈服点；疲劳破坏的宏观断口由三部分组 成，疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。
AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。
【小资料】GB/T 229－2007与GB/T 229－ 1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面 有较大变化，将关于金属材料冲击韧性的新、旧 标准名称和符号对照列于下表中。
新标准GB/T229－2007 名称 冲击吸收能量 U型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量 U型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量 V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量 符号 K KU 2 KU 8 KV 2
课题3
冲击韧性与疲劳极限
强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷 作用下的表现。 材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就 是常见的一种。 在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈 服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全 断裂的现象称为金属的疲劳。 在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、 铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作 用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷 的能力。
二、疲劳极限
• 金属疲劳现象:变动载荷和循环应力——金属 疲劳概念。 • 疲劳曲线和疲劳极限：冲击试样——冲击试验 机——一次摆锤冲击试验——小能量多次冲击 试验。
变动载荷和循环应力
• 变动载荷：指载荷大小、甚至方向均随时间变化的
载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。
• 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)
疲劳断口
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
• 1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 • 事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲 劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导 致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥， 横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌， 压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节 车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接 二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来 德国最惨重的铁路事故。
一、冲击韧性
• 冲击载荷和冲击韧性:在很短时间内作用金属 材料上的载荷称为冲击载荷。金属材料抵抗冲 击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。 • 冲击试验：冲击试样——冲击试验机——一次 摆锤冲击试验——小能量多次冲击试验。
材料冲击韧性的表示方法
• 按照国标GB/T229－2007，U型缺口试样和V型缺口试 样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8 表示摆锤刀刃半径，如KU2 ，其单位是焦耳（J）。 • 冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。
对钛合金：107周次
提高疲劳极限的途径
(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。 (2) 提高零件表面加工质量。
(3) 对材料表面疲劳极限
• 当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力 也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极 限，记作σR。 • 通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件 下测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。
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对一般低、中强度钢：107周次 对高强度钢：108周次 对铝合金，不锈钢：108周次
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