材料力学性能教学课件PPT材料在冲击载荷下的力学性能
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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。
测量铁球或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用 10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。
10
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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。
17
第三节 低温脆性
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。
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。
5
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
6
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。
7
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
试验在摆锤式冲击试验机上 进行。
(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。
12
冲击韧性的应用：经验数据，参考价值 举例：
调质处理的45＃钢Ak＝78J/cm2，而球墨铸 铁 铁A冲k击＝韧15性J/值cm远2。小单于纯45从＃钢数。值然上而看它，们球都墨具铸 有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料 使用。 AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指 标，具有“不可设计性”。只能作为经验 数据使用。
8
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
对于冲击试样，我国过 去和前苏联都采用梅氏 试样，美国和日本等过 则采用夏氏试样。
现在我国国家标准则融 合梅氏和夏氏两种类型 为一体，分别成为夏比 （Charpy）U形缺口试 样和夏比V形缺口试样。 用不同缺口试样测得的 冲击吸收功分别记为 Aku和AKV。
9
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
13
冲击断裂过程
PGY之前，弹性变形
P增G大Y后到，P塑ma性x变，形塑；性载变荷形
载 荷
区逐渐扩展到整个缺口面
（塑性区为图中红色虚线
和缺口面之间面积）；
在Pmax附近，应力最大 点位于红色虚线上；因此 在此处产生裂纹；随后裂 纹向前和向后同时扩展； 扩展机制是微孔聚集型， 形成图中“脚跟形纤维状 区”；此过程中材料承载 面积减小，载荷逐渐下降 到PF。
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。
4
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
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。
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。
18
第三节 低温脆性 低温脆性现象
Pmax PF
PGY PD
位移
14
冲击断裂过程
载荷达到PF后，裂 载 纹迅速以解理断裂方 荷 式快速扩展，在材料 中形成“放射形结晶 状区”；这时材料承 载面积迅速减小，载 荷也迅速降低到PD。
载荷达到PD后，裂 纹扩展到样品边缘， 产生平面应力状态， 形成剪切唇区。
Pmax PF
PGY PD
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 剩断余试能样量失为去的mg位H能2，为则m摆gH锤1冲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。
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。
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。
主讲人: 张宁
1
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点 二、冲击弯曲和冲击韧性 三、低温脆性 四、影响韧脆转变温度的冶金因素
2
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
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
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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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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。
位移
15
冲击断口
•冲击断口包含纤维区、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1—放射区—纤维区2—剪切唇 •纤维区2（红色区域）形成原因：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， 最终形成纤维区2。
冲击断口形貌示意图 16
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。
测量铁球或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用 10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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。
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第三节 低温脆性
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。
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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第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
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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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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
试验在摆锤式冲击试验机上 进行。
(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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冲击韧性的应用：经验数据，参考价值 举例：
调质处理的45＃钢Ak＝78J/cm2，而球墨铸 铁 铁A冲k击＝韧15性J/值cm远2。小单于纯45从＃钢数。值然上而看它，们球都墨具铸 有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料 使用。 AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指 标，具有“不可设计性”。只能作为经验 数据使用。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
对于冲击试样，我国过 去和前苏联都采用梅氏 试样，美国和日本等过 则采用夏氏试样。
现在我国国家标准则融 合梅氏和夏氏两种类型 为一体，分别成为夏比 （Charpy）U形缺口试 样和夏比V形缺口试样。 用不同缺口试样测得的 冲击吸收功分别记为 Aku和AKV。
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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冲击断裂过程
PGY之前，弹性变形
P增G大Y后到，P塑ma性x变，形塑；性载变荷形
载 荷
区逐渐扩展到整个缺口面
（塑性区为图中红色虚线
和缺口面之间面积）；
在Pmax附近，应力最大 点位于红色虚线上；因此 在此处产生裂纹；随后裂 纹向前和向后同时扩展； 扩展机制是微孔聚集型， 形成图中“脚跟形纤维状 区”；此过程中材料承载 面积减小，载荷逐渐下降 到PF。
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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第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
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。
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。
18
第三节 低温脆性 低温脆性现象
Pmax PF
PGY PD
位移
14
冲击断裂过程
载荷达到PF后，裂 载 纹迅速以解理断裂方 荷 式快速扩展，在材料 中形成“放射形结晶 状区”；这时材料承 载面积迅速减小，载 荷也迅速降低到PD。
载荷达到PD后，裂 纹扩展到样品边缘， 产生平面应力状态， 形成剪切唇区。
Pmax PF
PGY PD
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 剩断余试能样量失为去的mg位H能2，为则m摆gH锤1冲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。
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。
主讲人: 张宁
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第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点 二、冲击弯曲和冲击韧性 三、低温脆性 四、影响韧脆转变温度的冶金因素
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第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
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
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%。
11
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
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。
位移
15
冲击断口
•冲击断口包含纤维区、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1—放射区—纤维区2—剪切唇 •纤维区2（红色区域）形成原因：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， 最终形成纤维区2。
冲击断口形貌示意图 16