第三章 材料的冲击韧性及低温脆性

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2.多次冲击试验 . 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验 上进行, 机 PC-150上进行 , 冲击频率为 上进行 冲击频率为450周次 周次 周次/ / min和 600周次 / min。 冲击能量靠冲 和 周次 。 程调节而变换(0.1~ 1.5J), 可做多冲弯 程调节而变换 ~ , 拉伸和压缩试验. 曲 、 拉伸和压缩试验 . 试验后可绘制出 冲击功A—N曲线,如图 所示。从A— 曲线, 所示。 冲击功 曲线 如图3-4所示 N多冲曲线不难看出,随冲击功 的减少 多冲曲线不难看出, 多冲曲线不难看出 随冲击功A的减少 冲断次数N增加 增加。 ,冲断次数 增加。
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一次冲击弯曲试验主要用途 1.它能反映出原始材料的冶金质量和热加 1.它能反映出原始材料的冶金质量和热加 工产品的质量。 工产品的质量。 2.测定材料的韧脆性转变温度. 2.测定材料的韧脆性转变温度. 测定材料的韧脆性转变温度 3.对大致相同的材料,根据AK值可以评定 3.对大致相同的材料,根据A 对大致相同的材料 材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。
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3.显微组织的影响 (1) 细化晶粒提高韧性 (2) 金相组织有影响 4.温度的影响 主要是“蓝脆” 主要是“蓝脆”的影响 5.加载速率的影响 5.加载速率的影响 提高加载速率如同降低温度, 提高加载速率如同降低温度 , 使材料脆 性增大,韧脆转变温度提高。 性增大,韧脆转变温度提高。 加载速率对钢脆性的影响与钢的强度有。 加载速率对钢脆性的影响与钢的强度有。
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三、冲击脆化效应
在冲击载荷作用下, 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。 力相当高,结果造成位错运动速率增加。因 为位错宽度及其能量与位错运动速率有关, 为位错宽度及其能量与位错运动速率有关, 位错运动速率的增加将使派纳力增大。运动 位错运动速率的增加将使派纳力增大。 速率愈大,则能量愈大,宽度愈小,故派纳 速率愈大,则能量愈大,宽度愈小, 力愈大。结果滑移临界切应力增大,金属产 力愈大。结果滑移临界切应力增大, 生附加强化。 生附加强化。
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第二节 低温脆性
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一、系列冲击实验与低温脆性
系列冲击试验:对某些材料,当冲击实验 系列冲击试验:对某些材料, 分别在低温、室温和高温下进行时可以得到一 分别在低温、 系列冲击值AK( 或 a k) , 将这些冲击值与所对 系列冲击值 AK(或 k), AK( 应的实验温度在直角坐标系中标出,然后用光 应的实验温度在直角坐标系中标出, 滑曲线将这些实验数据连接起来,可以得到这 滑曲线将这些实验数据连接起来, 种材料冲击韧性与温度的关系曲线,即AK-t 种材料冲击韧性与温度的关系曲线, AK材料科学与工程学院
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(2)高于某一温度材料吸收的能量也 高于某一温度材料吸收的能量也 基本不变,形成一个上平台,称为“ 基本不变,形成一个上平台,称为“高 阶能” 以高阶能对应的温度为t 记为 阶能”。以高阶能对应的温度为 k,记为 FTP(fracture transition plastic)。高于 。 FTP的断裂,将得到 的断裂, 的断裂 将得到100%的纤维状断口。 %的纤维状断口。
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Байду номын сангаас
由于冲击载荷下的应力水平较高, 由于冲击载荷下的应力水平较高, 可使许多位错源同时开动, 可使许多位错源同时开动,结果在单晶 体中抑制了易滑移阶段的产生和发展。 体中抑制了易滑移阶段的产生和发展。 此外, 此外,冲击载荷还增加位错密度和滑移 系数目,出现孪晶, 系数目,出现孪晶,减小位错运动自由 行程的平均长度,增加点缺陷浓度。 行程的平均长度,增加点缺陷浓度。上 述诸点均使金属材料在冲击载荷作用下 塑性变形难以充分进行. 塑性变形难以充分进行.
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σ
从宏观角度分析, 从宏观角度分析,材料低温脆性的 σ , 产生与其屈服强度 s,和断裂强度 σ c, , σ 随温度的变化有关。 随温度的变化有关。因热激活对裂纹扩 σ c= ( 2Eaγ ) 没有明显作用, 没有明显作用, 展的力学条件 = π 随温度的变化很小. 故断裂强度σc随温度的变化很小. 随温度的变化很小
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二、冲击韧性及其工程意义 1.一次冲击 用试样缺口处截面F 去除A 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKV(AKU), 便得到冲击韧度或冲击值aKV(aKU),即 便得到冲击韧度或冲击值a aKV(aKU)=AKV(AKU)/FN aKV(aKU)是一个综合性的力学性能指标, 是一个综合性的力学性能指标, 与材料的强度和塑性有关,单位为J/cm2。 与材料的强度和塑性有关,单位为J
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系列冲击实验证明: 系列冲击实验证明:体心立方金属及 合金或某些密排六方晶体金属及合金, 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, 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t 当试验温度低于某一温度 k时,材料由 韧性状态变为脆性状态, 韧性状态变为脆性状态,冲击吸收功明 显下降, 显下降,断裂机理由微孔聚集变为穿晶 解理,断口特征由纤维状变为结晶状, 解理,断口特征由纤维状变为结晶状, 这就是低温脆性。 这就是低温脆性。转变温度称为韧脆转 变温度或冷脆转变温度. 变温度或冷脆转变温度.
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实验中归纳有3种不同的冲击吸收功一 实验中归纳有 种不同的冲击吸收功一 温度关系曲线: 温度关系曲线: 第一类曲线显示材料在很宽的实验温度 范围内都是脆性的; 范围内都是脆性的 第二类曲线显示具有面心立方结构的金 属如铜、 属如铜 、 铝等材料在很低的温度下仍具有 较高的韧性。 较高的韧性。 第三类曲线显示材料在一定温度区间 产生低温脆性转变, 产生低温脆性转变,这类材料的屈服强度 对温度和应变速率的变化是十分敏感的。 对温度和应变速率的变化是十分敏感的。
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按能量法定义tk的方法 按能量法定义tk的方法 tk (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 (1)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 本不随温度而变化,形成一平台, 量称为“低阶能”。以低阶能开始上升 量称为“低阶能” 的温度定义tk,并记为NDT(nil 的温度定义tk,并记为NDT(nil tk temperature), ductility temperature),称为无塑性 或零塑性转变温度, 或零塑性转变温度,
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国家标准规定冲击弯曲试验 标准试样分别为夏比(Charpy)U 标准试样分别为夏比 型缺口试样和夏比V型缺口试样 型缺口试样, 型缺口试样和夏比 型缺口试样, 两种试样的形状及尺寸如图3-2和 两种试样的形状及尺寸如图 和 所示。 图3-3所示。所测得的冲击吸收功 所示 分别记为AKU和AKV。 分别记为
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微观上, 微观上,体心立方金属的低温脆性 与位错在晶体中运动的阻力i对温度变化 与位错在晶体中运动的阻力 对温度变化 非常敏感有关, 在低温下增加 在低温下增加, 非常敏感有关,i在低温下增加,故该类 材料在低温下处于脆性状态。 材料在低温下处于脆性状态。面心立方 金属因位错宽度比较大, 对温度变化不 金属因位错宽度比较大,i对温度变化不 敏感,故一般不显示低温脆性。 敏感,故一般不显示低温脆性。
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2.多次冲击 (1)冲击能量高时,材料的多次冲击抗力主要 (1)冲击能量高时, 冲击能量高时 取决于塑性;冲击能量低时,材料的多冲抗 取决于塑性;冲击能量低时, 力主要取决于强度。 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 (2)不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配 合。 (3) aKV值对冲击疲劳抗力的影响
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三、影响材料低温脆性的因素 晶体结构的影响: 1 晶体结构的影响 : 体心立法金属及其合金存在 低温脆性, 低温脆性 , 而面心立方金属及其合金一般不存 在低温脆性。 在低温脆性。 2 化学成分的影响 : 间隙溶质元素含量增加 , 高 化学成分的影响: 间隙溶质元素含量增加, 阶能下降,韧脆转变温度提高。 加入置换型溶 阶能下降,韧脆转变温度提高。 质元素(Ni 、Mn 例外 ), 一般也降低高阶能, 例外) 一般也降低高阶能, 质元素( Ni、Mn例外 提高韧脆转变温度,但是效果不明显 。 杂质元 提高韧脆转变温度 ,但是效果不明显。 素S、P、Pb等使钢的韧性下降。 Pb等使钢的韧性下降。 等使钢的韧性下降
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
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第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
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一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 缺口试样一次冲击弯曲试验 原理如图3-1所示。 原理如图3 所示。
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图3-1 摆锤冲击试验原理示意图
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试验:质量m的摆锤,举至高度H 试验:质量m的摆锤,举至高度H 势能mgH1 锤释放,将试件冲断。 mgH1; 势能mgH1;锤释放,将试件冲断。摆 锤失去一部分能量, 锤失去一部分能量,这部分能量就是 冲断试件所作的功,称为冲击功, 冲断试件所作的功,称为冲击功,以 Ak表示 表示。 Ak表示。剩余的能量使摆锤扬起高度 H2,故剩余的能量即为mgH2 mgH2。 H2,故剩余的能量即为mgH2。 Ak=mgH1-mgH2=mg(H1Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2) Ak的单位为Kgf.m或 的单位为Kgf.m Ak的单位为Kgf.m或J。
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6.试样形状和尺寸的影响 . 缺口曲率半径越小, 因此, 型 缺口曲率半径越小 , tk , 因此 , V型 缺口试样的t 高于U型试样的 型试样的tk。 缺口试样的 k高于 型试样的 。 当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度( 当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度 或厚度)时 升高. 或厚度 时,tk升高.若试样各部分尺寸 升高 按比例增加时, 也升高 也升高. 按比例增加时 , tk也升高 . 这是由于试 样尺寸增加时应力状态变硬, 样尺寸增加时应力状态变硬 , 且缺陷几 率增大,故脆性增大。 率增大,故脆性增大。
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(5)温度下降, (5)温度下降,纤维区面积突然减 温度下降 结晶区面积突然增大, 少,结晶区面积突然增大,材料由 韧变脆. 韧变脆.通常取结晶区面积占整个 断口面积50%时的温度为t 断口面积 %时的温度为 k,并记为 50%FATT(fracture appearance % ( transition temperature)或 FATT50、 或 t50。
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(3)以低阶能和高阶能平均值对应的 以低阶能和高阶能平均值对应的 温度定义,并记为FTE(fracture 温度定义,并记为 transition elastic)。 。
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(4)以Akv=15 呎磅 以 呎磅(20.3N·m)对应的 对应的 温度定义,并记为V 温度定义,并记为 15TT。这个规定 。 是根据大量实践经验总结出来的。 是根据大量实践经验总结出来的。 实践表明, 实践表明,低碳钢船用钢板服役时 若冲击韧性大干15呎磅或在 呎磅或在V 若冲击韧性大干 呎磅或在 15TT以 以 上工作就不致于发生脆性断裂。 上工作就不致于发生脆性断裂。
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二、韧脆转化温度及其评价方法 通常只是根据能量、 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, 温度的变化定义tk。为此,需要在不同温度下进 tk 行冲击弯曲试验, 行冲击弯曲试验,根据试验结果作出冲击吸收 功—温度曲线、试样断裂后塑性变形量和温度的 温度曲线、 温度曲线 关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关 关系曲线、 系曲线等,根据这些曲线求tk。这里只介绍根据 系曲线等,根据这些曲线求tk。 tk 能量判据和断口形貌判据定义tk的方法,各种韧 能量判据和断口形貌判据定义tk的方法, tk的方法 脆性转变温度判据见图3-9。 脆性转变温度判据见图3
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