第三章金属在冲击载荷下的力学性能

10^-4~10^-2,静载荷; ,静载荷 >10^-2, 力学性能显著变化. 力学性能显著变化.
本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点, 本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点,主 要讨论缺口试样冲击弯曲试验方法和金属材料的低温 脆性. 脆性.
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这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形 和破断,一部分消耗于试样掷出,机身振动, 和破断,一部分消耗于试样掷出,机身振动,空气 阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗 消耗等 阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等. 通常试验时,这些功消耗可以忽略不计, 通常试验时,这些功消耗可以忽略不计,但当摆锤 轴线与缺口中心线不一致时,上述功消耗较大, 轴线与缺口中心线不一致时,上述功消耗较大,不 同试验机上测得的A 值相差10-30%. 同试验机上测得的 k值相差 .
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第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷下, 冲击载荷下,由于载荷的能量性质使整个承 载系统承受冲击能,所以机件, 载系统承受冲击能,所以机件,与机件相连 物体的刚度都直接影响冲击过程的时间, 物体的刚度都直接影响冲击过程的时间,从 而影响加速度和惯性力的大小. 而影响加速度和惯性力的大小. 由于冲击过程持续时间短,测不准确, 由于冲击过程持续时间短,测不准确,难于 按惯性力计算机件内的应力, 按惯性力计算机件内的应力,所以机件在冲 击载荷下所受的应力, 击载荷下所受的应力,通常假定冲击能全部 转换为机件内的弹性能, 转换为机件内的弹性能,再按能量守恒法计 算.
1 摆锤预扬角:150° 摆锤预扬角: ° 2 摆轴中心至打击中心的距离: 摆轴中心至打击中心的距离: 750mm,800mm , 3 冲击速度:5.2m/s,5.4m/s 冲击速度: , 4 最大冲击能量:300J/500J, 最大冲击能量: , 500J/250J 5 试样支座跨距:40mm 试样支座跨距: 6 试样支座端圆弧半径:R1试样支座端圆弧半径: 1.5mm 7 冲击刀圆弧半径:R2-2.5mm 冲击刀圆弧半径: 8 冲击刀两斜面夹角:30° 冲击刀两斜面夹角: ° 9 冲击刀厚度:16mm 冲击刀厚度: 10 主机外形尺寸: 主机外形尺寸: 2124mm×600mm×1340mm, , 2300mm×600mm×1400mm 11 重量:480kg,580kg 重量: ,
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塑性, 塑性,韧性随应变率的增加而变化的特征 与断裂方式有关: 与断裂方式有关:
如果在一定加载条件及温度下,材料产生正 如果在一定加载条件及温度下, 则断裂应力变化不大, 断,则断裂应力变化不大,塑性随着应变率 的增加而减小; 的增加而减小; 如果材料产生切断, 如果材料产生切断,则断裂应力随着应变率 提高显著增加,塑性的变化不一定, 提高显著增加,塑性的变化不一定,可能不 变或提高. 变或提高.
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注意: 注意:
1,标样尺寸; ,标样尺寸; 2,对于脆性材料,常采用 ,对于脆性材料, 10*10*55 mm的无缺口试样. 的无缺口试样. 的无缺口试样
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冲击吸收功A 冲击吸收功 k的大小不能真正反映材料的 韧脆程度: 韧脆程度:
Bcc金属的低温脆性的原因: 金属的低温脆性的原因: 金属的低温脆性的原因 1,派纳力(P14, 图 1-11); ,派纳力( ); 2,迟屈服现象. ,迟屈服现象.
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冲击弯曲试验的主要用途有两点: 冲击弯曲试验的主要用途有两点:
(1) 控制原材料的冶金质量和热加工后的产品 质量. 质量.
通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析, 通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析,可揭示 原料中的夹渣,气泡,严重分层, 原料中的夹渣,气泡,严重分层,偏析以及夹杂物超 级等冶金缺陷;检查过热,过烧, 级等冶金缺陷;检查过热,过烧,回火脆性等锻造或 热处理缺陷. 热处理缺陷.
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试验在摆锤式冲击试验机上 试验在摆锤式冲击试验机上 摆锤式 进行. 进行. 试验过程: 试验过程: 将样品水平放在试验机的支 座上,缺口位于冲击相背 相背的 座上,缺口位于冲击相背的 方向. 方向. 然后将具有一定质量m的摆锤 然后将具有一定质量 的摆锤 举至一定高度H 举至一定高度 1,使其获得 一定位能mgH1. 一定位能 释放摆锤冲断试样, 释放摆锤冲断试样,摆锤的 剩余能量为mgH2,则摆锤冲 剩余能量为 断试样失去的位能为mgH1断试样失去的位能为 mgH2,这就是试样变形和断 裂所消耗的功, 裂所消耗的功,称为冲击吸 收功, 表示,单位为J. 收功,以Ak表示,单位为 .
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1912年当年最为豪华,号称永不沉没的泰坦尼克号(Titanic)首航沉没 年当年最为豪华,号称永不沉没的泰坦尼克号( 年当年最为豪华 ) 于冰海,成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难 世纪令人难以忘怀的悲惨海难. 于冰海,成了 世纪令人难以忘怀的悲惨海难. 1985年以后,探险家们数次深潜到 年以后, 英尺深的海底研究沉船, 年以后 探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船,起出 英尺深的海底研究沉船 遗物. 月美国《 遗物.1995年2月美国《科学大众》(Popular Science)杂志发表了 年 月美国 科学大众》 )杂志发表了R Gannon 的文章,标题是『What Really Sank The Titanic』,付标题是 的文章,标题是『 』 付标题是 为什么'不会沉没的'船在撞上一个冰山后3小时就沉没了 小时就沉没了? "为什么'不会沉没的'船在撞上一个冰山后 小时就沉没了?一项新 的科学研究回答了80年未解之谜 年未解之谜" 的科学研究回答了 年未解之谜". 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 号采用了含硫高的钢板 韧性很差,特别是在低温 硫高的钢板, 由于早年的 呈脆性.所以,冲击试样是典型的脆性断口. 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. 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性.
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第三节 低温脆性
一,低温脆性现象 定义: 定义:
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及
其合金,特别是工程上常用的中,低强度结构钢( 其合金,特别是工程上常用的中,低强度结构钢(铁 素体-珠光体钢),在试验温度低于某一温度 珠光体钢),在试验温度低于某一温度t 素体 珠光体钢),在试验温度低于某一温度 k时,会 韧性状态变为脆性状态 冲击吸收功明显下降, 状态变为脆性状态, 由韧性状态变为脆性状态,冲击吸收功明显下降,断 微孔聚集型变为穿晶解理, 裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理 断口特征由纤维 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 结晶状, 低温脆性. 状变为结晶状,这就是低温脆性.
(2) 根据系列冲击试验(低温冲击试验)可得 根据系列冲击试验(低温冲击试验) Ak与温度的关系曲线,测定材料的韧脆转变 与温度的关系曲线, 温度.可以评定材料的低温脆性倾向. 温度.可以评定材料的低温脆性倾向.
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缺口冲击韧性试验机介绍
主要技术参数及指标: 主要技术参数及指标:
JB-S300数显冲击试验机 数显冲击试验机
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技术参数: 技术参数:
1 冲击能量:300J, 冲击能量: , 150J/500J,250J , 2 摆锤预扬角:150 摆锤预扬角: 3 冲击速度: 冲击速度: 5.2m/s/5.4m/s 4 试样支座跨距: 试样支座跨距: 40mm 5 钳口圆角:R1钳口圆角: 1.5mm 6 冲击刀刃圆角:R2冲击刀刃圆角: 2.5mm JB-300/500W微机控制冲击试验机 微机控制冲击试验机 7 试样规格: 试样规格: 55×10×10mm × ×
Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 号钢板(左图 和近代船用钢板(右图 号钢板 左图)和近代船用钢板 右图)的冲击试验结果
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右图是建造中的 Titanic 号. Gannon 的文章指出, 的文章指出, 在水线上下都由10 在水线上下都由 张 30 英尺长的高含硫量 英尺长的高含硫量 脆性钢板焊接 焊接成 英 脆性钢板焊接成300英 尺的船体. 尺的船体. 船体上可见长长的焊 缝.船在冰水中撞击 冰山而裂开时, 冰山而裂开时,脆性 的焊缝无异于一条300 的焊缝无异于一条 英尺长的大拉链, 英尺长的大拉链,使 船体产生很长的裂纹 裂纹, 船体产生很长的裂纹, 海水大量涌入使船迅 速沉没. 速沉没. 这是钢材韧性与人身 安全的一个突出例证. 建造中的Titanic 号,可以看到船身上长长 安全的一个突出例证. 建造中的 的焊缝
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静载荷作用时: 静载荷作用时:塑性变形比较均匀的分 布在各个晶粒中; 布在各个晶粒中; 冲击载荷作用时: 冲击载荷作用时:塑性变形则比较集中 于某一局部区域, 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, 这种不均匀限制了塑性变形的发展,导 屈服强度, 的提高. 致了屈服强度 抗拉强度的提高 致了屈服强度,抗拉强度的提高.
材料力学性能
张世宏
材料科学与工程学院金属材料系 Email: shzhang@ahut.edu.cn zsh10110903@hotmail.com
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第三章 金属在冲击载荷下的力 学性能
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为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载 为了评定材料传递冲击载荷的能力 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. 荷下的力学行为,就需要进行相应的力学性能试验. 加载速率定义: 加载速率定义: 载荷施加于试样或机件时的速率, 载荷施加于试样或机件时的速率,用单 形变速率 位时间内应力增加的数值来表示. 位时间内应力增加的数值来表示. 相对 绝对 应变速率: 应变速率:
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
加载速率
如何实现? 如何实现?
缺口效应
冲击弯曲
冲击韧性的定义: 冲击韧性的定义:
指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和 断裂功的能力,用标准试样的冲击吸收功A 断裂功的能力,用标准试样的冲击吸收功 k 表示. 表示.
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低温脆性是材料屈服强 度随着温度的降低急剧 增加的结果. 增加的结果. 见右图,屈服点随着温 见右图,屈服点随着温 度的下降而升高, 度的下降而升高,但材 解理断裂强度随着 料的解理断裂 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小; 温度的变化很小 两线交点对应的温度就 是tk.
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金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进 主要有以下两方面的原因: 行,主要有以下两方面的原因: 1. 由于冲击载荷下应力水平比较高,使许多 由于冲击载荷下应力水平比较高, 位错源同时起作用, 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. 滑移阶段的产生与发展. 2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目, 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目, 出现孪晶, 出现孪晶,减小了位错运动自由行程平均长 增加了点缺陷的浓度. 度,增加了点缺陷的浓度.