材料力学性能第三章
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安徽工业大学 材料科学与工程学院
12/15/2014
3
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
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、与机件相连 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。 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，所以机件在冲 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，再按能量守恒法计 算。
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冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：
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、空气阻力以及 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，但当摆锤 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Ak值相差10-30%。
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第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 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（铁 素体-珠光体钢）， 在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆 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。
12/15/2014 安徽工业大学 材料科学与工程学院
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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。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小， 两线交点对应的温度就 是tk。
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二、韧脆转变温度
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韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件 服役安全，但不能直接用来设计计算机件的 承载能力或截面尺寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越 大越安全，所以选用的材料应该具有一定的 韧性温度储备，也就是说具有一定的△值， △=t0-tk。
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2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度下， 纤维区、放射区与剪切唇三者 之间的相对面积（或线尺寸） 是不同的。 温度下降，纤维区面积突然减 少，结晶区面积突然增加，材 料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口 面积的50%时的温度为tk，记 为50%FATT或FATT50、t50。
TLC-300落锤冲击试验机
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试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊 肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤 进行打击。随着试样温度的下降，其力学行 为发生如下变化： 没有出现裂纹→拉伸侧表面形成裂纹，但未 发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边 或两侧边→试样断成两部分。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 12/15/2014
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塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征 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 断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率 的增加而减小； 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，可能不 变或提高。
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静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分 布在各个晶粒中； 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 致了屈服强度、抗拉强度的提高。
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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。
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、偏析以及夹杂物超 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。
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4
金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进 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 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。 2. 冲击载荷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。
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同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的 变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等）， tk也要变化，
所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际 结构工况之间无直接联系，所以不能说明该材料 制成的机件一定在该温度下脆裂。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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Ak 表示。
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试验在摆锤式冲击试验机上 进行。 试验过程： 将样品水平放在试验机的支 座上，缺口位于冲击相背的 方向。 然后将具有一定质量m的摆锤 举至一定高度H1，使其获得 一定位能mgH1。 释放摆锤冲断试样，摆锤的 剩余能量为mgH2，则摆锤冲 断试样失去的位能为mgH1mgH2，这就是试样变形和断 裂所消耗的功，称为冲击吸 收功，以Ak表示，单位为J。
JB-S300数显冲击试验机
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技术参数：
1 冲击能量：300J、 150J/500J、250J 2 摆锤预扬角：150º 3 冲击速度： 5.2m/s/5.4m/s 4 试样支座跨距： 40mm 5 钳口圆角：R11.5mm 6 冲击刀刃圆角：R22.5mm JB-300/500W微机控制冲击试验机 7 试样规格： 55×10×10mm
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落锤试验机实物图
TLC-300落锤冲击试验机适用于 热塑性塑料管材、管件和硬质塑 料板材的耐冲击试验。
最大冲击能量 300J 最大冲击高度 2m 标尺误差 ±１％ 落锤组合质量 最大组合质量15KG ± 0.1% 冲头规格： A R=10mm B R=20m C R= 5mm BB R=30mm 冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm 电动提升机构 最大提升力20kgf 牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf 管材V型托板 200×300×25mm3 试样尺寸 直径20-400mm
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珠光体的定义：
当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳 体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金 的相变是在恒温下实现的。 也就是说这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生 相变时，如果消失两者同时消失，如果出现则两者同 时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。 基于以上原因，人们就把这种由特定比例构成的两相 组织当作一种组织来看，命名为珠光体，这种钢就叫 做共析钢。 所以碳含量正好为0.77%的钢就叫做共析钢，它的组 织结构是珠光体。
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三、落锤试验和断裂分析图
50年代初，美国海军研究所派林尼（W. S. Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定 全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评 定材料的性能标准。
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落锤试验机示意图
落锤试验机由垂直导轨 （支持重锤）、能自由下 落的重锤和砧座等组成， 见右图。 重锤锤头是一个半径为 25mm的钢制圆柱，硬度 不小于50HRC。 重锤可升到不同高度，以 获得340-1650J的能量。 砧座上除了两端的支承块 外，中心部分还有一个挠 度终止块，以限制试样产 生过大的塑性变形。
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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 于冰海，成了20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12,612英尺深的海底研究沉船，起出 遗物。1995年2月美国《科学大众》（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是『What Really Sank The Titanic』,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？一项新 的科学研究回答了80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 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。
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-温度曲线、 断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线， 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等， 根据这些曲线来求得tk。
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1. 按能量定义tk的方法
(1) 当低于某一温度，金属材 料吸收的冲击能量基本不随 温度变化，形成一个平台， 该能量称为“低阶能”。 (2) 高于某一温度时，材料吸 收的能量基本不变，出现一 个上平台，称为“高阶能”。 (3) 以低阶能和高阶能平均值 对应的温度定义tk，记为FTE （Fracture Transition Elastic）。
Titanic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， 在水线上下都由10 张 30 英尺长的高含硫量 脆性钢板焊接成300英 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，脆性 的焊缝无异于一条300 英尺长的大拉链，使 船体产生很长的裂纹， 海水大量涌入使船迅 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 的焊缝
(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得 Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变 温度。
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缺口冲击韧性试验机介绍
主要技术参数及指标：
1 摆锤预扬角：150° 2 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 4 最大冲击能量：300J/500J、 500J/250J 5 试样支座跨距：40mm 6 试样支座端圆弧半径：R11.5mm 7 冲击刀圆弧半径：R2-2.5mm 8 冲击刀两斜面夹角：30° 9 冲击刀厚度：16mm 10 主机外形尺寸： 2124mm×600mm×1340mm、 2300mm×600mm×1400mm 11 重量：480kg、580kg
材料力学性能
裴立宅
材料科学与工程学院
Email: lzpei1977@, lzpei@
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第三章 金属在冲击载荷下的力 学性能
12/15/2014
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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： 载荷施加于试样或机件时的速率，用单位 时间内应力增加的数值来表示 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。
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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，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、与机件相连 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。 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，所以机件在冲 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，再按能量守恒法计 算。
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冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：
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、空气阻力以及 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，但当摆锤 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Ak值相差10-30%。
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第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 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（铁 素体-珠光体钢）， 在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆 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。
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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。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小， 两线交点对应的温度就 是tk。
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二、韧脆转变温度
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韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件 服役安全，但不能直接用来设计计算机件的 承载能力或截面尺寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越 大越安全，所以选用的材料应该具有一定的 韧性温度储备，也就是说具有一定的△值， △=t0-tk。
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2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度下， 纤维区、放射区与剪切唇三者 之间的相对面积（或线尺寸） 是不同的。 温度下降，纤维区面积突然减 少，结晶区面积突然增加，材 料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口 面积的50%时的温度为tk，记 为50%FATT或FATT50、t50。
TLC-300落锤冲击试验机
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试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊 肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤 进行打击。随着试样温度的下降，其力学行 为发生如下变化： 没有出现裂纹→拉伸侧表面形成裂纹，但未 发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边 或两侧边→试样断成两部分。
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塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征 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 断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率 的增加而减小； 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，可能不 变或提高。
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静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分 布在各个晶粒中； 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 致了屈服强度、抗拉强度的提高。
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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。
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、偏析以及夹杂物超 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。
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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 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 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。 2. 冲击载荷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。
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同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的 变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等）， tk也要变化，
所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际 结构工况之间无直接联系，所以不能说明该材料 制成的机件一定在该温度下脆裂。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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Ak 表示。
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试验在摆锤式冲击试验机上 进行。 试验过程： 将样品水平放在试验机的支 座上，缺口位于冲击相背的 方向。 然后将具有一定质量m的摆锤 举至一定高度H1，使其获得 一定位能mgH1。 释放摆锤冲断试样，摆锤的 剩余能量为mgH2，则摆锤冲 断试样失去的位能为mgH1mgH2，这就是试样变形和断 裂所消耗的功，称为冲击吸 收功，以Ak表示，单位为J。
JB-S300数显冲击试验机
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技术参数：
1 冲击能量：300J、 150J/500J、250J 2 摆锤预扬角：150º 3 冲击速度： 5.2m/s/5.4m/s 4 试样支座跨距： 40mm 5 钳口圆角：R11.5mm 6 冲击刀刃圆角：R22.5mm JB-300/500W微机控制冲击试验机 7 试样规格： 55×10×10mm
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落锤试验机实物图
TLC-300落锤冲击试验机适用于 热塑性塑料管材、管件和硬质塑 料板材的耐冲击试验。
最大冲击能量 300J 最大冲击高度 2m 标尺误差 ±１％ 落锤组合质量 最大组合质量15KG ± 0.1% 冲头规格： A R=10mm B R=20m C R= 5mm BB R=30mm 冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm 电动提升机构 最大提升力20kgf 牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf 管材V型托板 200×300×25mm3 试样尺寸 直径20-400mm
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珠光体的定义：
当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳 体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金 的相变是在恒温下实现的。 也就是说这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生 相变时，如果消失两者同时消失，如果出现则两者同 时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。 基于以上原因，人们就把这种由特定比例构成的两相 组织当作一种组织来看，命名为珠光体，这种钢就叫 做共析钢。 所以碳含量正好为0.77%的钢就叫做共析钢，它的组 织结构是珠光体。
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三、落锤试验和断裂分析图
50年代初，美国海军研究所派林尼（W. S. Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定 全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评 定材料的性能标准。
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落锤试验机示意图
落锤试验机由垂直导轨 （支持重锤）、能自由下 落的重锤和砧座等组成， 见右图。 重锤锤头是一个半径为 25mm的钢制圆柱，硬度 不小于50HRC。 重锤可升到不同高度，以 获得340-1650J的能量。 砧座上除了两端的支承块 外，中心部分还有一个挠 度终止块，以限制试样产 生过大的塑性变形。
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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 于冰海，成了20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12,612英尺深的海底研究沉船，起出 遗物。1995年2月美国《科学大众》（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是『What Really Sank The Titanic』,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？一项新 的科学研究回答了80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 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。
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-温度曲线、 断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线， 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等， 根据这些曲线来求得tk。
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1. 按能量定义tk的方法
(1) 当低于某一温度，金属材 料吸收的冲击能量基本不随 温度变化，形成一个平台， 该能量称为“低阶能”。 (2) 高于某一温度时，材料吸 收的能量基本不变，出现一 个上平台，称为“高阶能”。 (3) 以低阶能和高阶能平均值 对应的温度定义tk，记为FTE （Fracture Transition Elastic）。
Titanic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， 在水线上下都由10 张 30 英尺长的高含硫量 脆性钢板焊接成300英 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，脆性 的焊缝无异于一条300 英尺长的大拉链，使 船体产生很长的裂纹， 海水大量涌入使船迅 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 的焊缝
(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得 Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变 温度。
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缺口冲击韧性试验机介绍
主要技术参数及指标：
1 摆锤预扬角：150° 2 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 4 最大冲击能量：300J/500J、 500J/250J 5 试样支座跨距：40mm 6 试样支座端圆弧半径：R11.5mm 7 冲击刀圆弧半径：R2-2.5mm 8 冲击刀两斜面夹角：30° 9 冲击刀厚度：16mm 10 主机外形尺寸： 2124mm×600mm×1340mm、 2300mm×600mm×1400mm 11 重量：480kg、580kg
材料力学性能
裴立宅
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Email: lzpei1977@, lzpei@
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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： 载荷施加于试样或机件时的速率，用单位 时间内应力增加的数值来表示 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。