动载荷下材料的力学性能

二、影响冲击性能的微观因素
（1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑， 材料的冲击韧性↑。 （2）同时开动的位错源增加。 ∴屈服强度提高得较多。 （3）内部的塑性变形不均匀。

三、冲击断口
同样也为 纤维区、放射区、剪切唇三个区。 若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维 区。 即： 纤维区—放射区—纤维区—剪切唇。 ∵裂纹快速扩展形成 结晶区，到了压缩区后， 应力状态发生变化，裂 纹扩展速度再次减小。 ∴形成纤维区。
2 动载荷下材料的力学性能
2.1 缺口效应



一、缺口效应 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方 法，都是采用横截面均匀的光滑试样，实际生产的机 件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、 螺纹及焊缝等，这种截面变化的部位可称为“缺口”。 由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应 力状态将会发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从 而影响金属材料的力学性能。

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。
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。
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。 意义：评定材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为

冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）
冲击失效的特点
（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 （2）吸收的冲击能测不准。 时间短；机件；与机件联接物体的刚度。 通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能， 再按能量守恒法计算。 （3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。 ∵ 弹性变形的速度4982m/s（＞声速）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。

缺口产生的应力集中程度常用理论应力集中系数Kt表示。 Kt为缺口净截面的最大应力与平均应力之比。即
max Kt
Kt取决于缺口的几何形 状，与材料的性质无关。

缺口的第一个效应是引起应力集中， 并改变了缺口前方的应力状态，使 缺口试样或机件中所受的应力，由 原来的单向应力状态改变为两向或 三向应力状态，这种状态由板厚或 直径决定。

（二）金相组织


较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢， 其冲击吸收功Ak与tk以马氏体高温回火（回火索氏体）最佳， 贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。 球化处理可改善钢的韧性。


马氏体：是将钢加热至奥氏体后快速淬火形成的高硬 度针片状组织，为纪念冶金学家Martens而命名。 马氏体相变的主要特点是是无扩散过程，以类似于孪 生的切变方式形成亚稳态的新相。 不仅在钢中，在其它一些合金系以及纯金属和陶瓷材 料中都可有马氏体相变，所以目前马氏体的含义相当 广泛。 贝氏体：是对钢中过冷奥氏体在中温范围转变成的亚 稳产物而称的，其形貌与形成温度有关，在较高温度 形成时呈羽毛状，温度低时则呈针状，前者称为上贝 氏体，后者称为下贝氏体。



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。
二、韧脆转变温度
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。

Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果



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
二、缺口试样静拉伸试验

用途： 广泛应用于高强度钢的力学性能、钢和钛 的氢脆以及研究高温合金的缺口敏感性 (NSR)等。
三、缺口试样静弯曲试验

由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的 应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更厉害，但应力应变的多 向性则减少。
2.2 冲击韧性
Hale Waihona Puke Baidu
2.1.1缺口试样在弹性状态下的应力分布 假设一个薄板的边缘开有 缺口，并承受拉应力σ的 作用， 当板材处于弹性范围内时， 其缺口截面上的应力分布 如右图所示。 从图可看出，缺口截面上 的应力分布不均匀，轴向 应力σy在缺口根部最大， 随着距离的增加，σy不断 下降，所以在缺口根部产 生了应力集中的现象。

间隙溶质元素溶入铁 素体基体中，偏聚于 位错线附近，阻碍位 错运动，导致屈服强 度的升高，钢的韧脆 转变温度升高。
三、显微组织


（一）晶粒大小
细化晶粒可使材料的韧 性增加
细化晶粒提高韧性的原因：
(1) 晶界是裂纹扩展的阻力； (2) 晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应 力集中； (3) 晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小， 避免了产生沿晶脆性断裂。

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。
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。
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。
摆锤冲击试验机



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mgH1-mgH2， 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。

零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止 脆性断裂设计根据的一部分，例如：

(1) NDT设计标准 (2) NDT+33℃设计标准


(3) NDT+67℃设计标准
落锤试验的缺点：

(1) 不能定量评定脆性断裂

(2) 未考虑板厚的影响

通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图（FAD， Fracture Analysis Diagram），表示许用应力、缺陷 （裂纹）和温度之间的关系曲线，见下图：
两向或三向不等拉伸的应力状态软 性系数α<0.5，使金属难以产生塑性 变形。 对于脆性材料或低塑性材料进行缺 口试样拉伸时，很难通过缺口根部 极为有限的塑性变形使应力重新分 布，往往直接由弹性变形过渡到断 裂，所以缺口试样的抗拉强度必然 比光滑试样的低。


（二）缺口试样在塑性状态下的应力分布




对于塑性较好的金属材料，若缺 口根部产生塑性变形，应力将重 新分布，并随着载荷的增大塑性 区逐渐扩大，直至整个截面上都 产生塑性。 存在缺口的条件下由于出现了三 向应力状态，并产生了应力集中， 试样的屈服应力比单向拉伸时高， 产生了所谓的“缺口强化”现象， 但是由于缺口的约束塑性变形， 所以使塑性降低，增加了材料的 变脆倾向。 缺口的第二个效应：缺口使塑性 材料强度增加，塑性降低。

TLC-300落锤冲击试验 机
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。




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 温度基本不变，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）。
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。
2.3 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。
断裂分析图的优点：

(1) 为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供了一个有效方 法； (2) 可用来分析脆性断裂事故，帮助积累防止脆性断裂的有 关经验。
断裂分析图的缺点：

未考虑加载速率和板厚的影响
2.3.3 影响韧脆转变温度的冶金因素
一、晶体结构 二、化学成分 三、显微组织

二、化学成分
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
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。


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，