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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(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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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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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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(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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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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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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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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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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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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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
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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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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
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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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。