第三章金属在冲击载荷作用下的力学性能

第三章金属在冲击载荷作用下的力学性能Chapter Three Mechanical Property of Metals under Impact
Loads
3.1 概述(Brief Introduction)
㈠定义(Definition)
冲击―—就是以很大速度将负荷（冲击负荷）作用到构件上去的一种加载方式。

如内燃机的活塞运动；汽车在凸凹不平道路上行驶；飞机的起飞与降落；金属压力加工（如锻造、冲压、冲裁等）。

在不同的冲击条件下，材料的力学行为不一样，为了评定材料抗冲击的能力，需要进行相应的研究。

冲击载荷与静载荷的关键区别在于：两者的加载速度不同，造成形变速率不同，如：
●静拉伸应变率10－5～10－2S－1
●冲击应变率102～104S－1
●高速冲击应变率> 104 S－1
形变速率分为绝对形变速率和相对形变速率（即应变率）。

应变率（⋅ε）―单位时间内的应变量。

单位S－1。

实践表明：
●当⋅ε在10－4～10－2S－1内，金属的力学性能没有明显
变化；
●当⋅ε>10－2S－1力学性能将有明显变化；
一般随着⋅ε增加，材料的强度增加，塑性降低，即变脆。

3.2在冲击载荷作用下金属变形和断裂的特性
Characteristic of deformation and fracture of metals under impact
loads
㈠特点(Characteristic)
静载荷时，从已知力（F）到应力（σ）以及强度计算都比较方便。

冲击载荷时，计算力（F）则很困难，因为冲击下有如下关系式。

m（V1－V2）＝F△t （3-1）
式中m：物体质量；V1,V2：分别为初始速度和最终速度；△t：作用时间。

由于材料的刚度不同，造成相互作用的△t不同，加上△t一般比较短，因而不易测准，且在△t内，F是可变量，所有这些均造成F 的计算困难。

所以研究冲击过程，一般采用能量守恒来处理。

㈡应变率对两种变形方式的影响（Effect of strain rate on the two deformation mode）。

1、弹性变形。

弹性变形是以声速在介质中传播的。

如在钢中4982 m/s。

而普通摆锤冲击时的绝对变形速度仅为5～5.5m/s ，高速冲击也<10 m/s, 可见在常规加载方式下，应变速率对弹性变形基本上没有影响。

2、塑性变形。

由于塑性变形的速度较慢，一般是位错运动的速度，所以应变速率提高会造成σs明显升高，σb少量升高。

正断裂（即脆化材料）δ、ψ明显下降
切断裂（即韧性材料）δ、ψ基本上没有变化。

3.3 冲击弯曲及冲击韧性(Impact bending and ductility)
㈠定义(Definition)
冲击韧性―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A k表示
从图3-1可知，A k ＝GH1－GH2
㈡试样（Specimen）
⒈塑性材料：
国标规定的冲击实验的试样有如下两种（即U缺口试样A k u和V` 缺口试样A k v），尺寸均为10 ×10 ×55mm。

具体形状见图3-2和图3-3。

2．脆性材料：常用无缺口的10 ×10 ×55mm试样。

图3-3 夏氏V 型冲击试样
问题：为什么脆性材料的冲击试样常为无缺口，而塑性材料则为有缺口试样？
㈢ 应用（Applications ）
冲击吸收功A k 的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，这是由于：
1、A k 并非完全用于材料的变形及断裂，其中试样掷出，机身振动，空气阻力以及轴承与测量机构间的摩擦等都要消耗一部分功，而在实际处理时往往忽略这些值，因此造成不同的实验设备测出的A k 相差
10~30%。

2、根据断裂理论，裂纹扩展过程所消耗的功（断裂功）越大，则为韧性断裂；反之则为脆性断裂。

但A k相同的材料，断裂功并不一定相同，所以，A k不能真实反映韧脆断裂程度，不过A k作为一般参考还是可以的，并且由于A k对材料内部的组织变化十分敏感，加上该方法简便易行，因此，冲击实验常常用来：
1)反映材料的冶金质量和热加工产品质量
2)根据A k与温度关系曲线，可以测定材料韧脆转变温度。

3)对于σs相同的材料，根据A k值可以评定材料对缺口的敏感性。

（四）冲击韧性（Impact ductility）
对于夏氏u缺口冲击实验，冲击韧性（a k）定义为：
a k＝A k /F0 （3-2）
式中F0为试样缺口处的横截面积。

3.4 低温脆性(Brittleness of low temperature)
(一)．定义（Definition）
低温脆性——指材料随着温度的下降到某范围或某一温度点（t k）时，其强度提高，而韧性显著下降，且断裂从韧性断裂变成脆性断裂的现象。

相应的t k称为韧脆转变温度和冷脆转变温度。

bcc合金或某些hcp合金冷脆转变现象明显，而fcc合金则不明显。

冷脆转变现象对在低温下服役的构件时相当重要的。

如以前在东
北作战使用的坦克更兵器就存在冷脆转变现象；还有诸如在南北极等寒冷地区也应考虑到所使用零件的冷脆转变现象。

（二）机理(Mechanism)
金属材料有两个强度指标σs（屈服强度）和σc（断裂强度）。

由公式σ c ＝（2Eγs / πa）1/2可知，热激活大小（即温度的高低）对σc影响不大，而对σs影响极其明显，一般有温度T下降，导致σs升高。

图3-4σ c 和σs随温度变化示意图。

图3-4 σ c 和σs随温度变化示意图
由图3-4可见，
◆当T>t k，σ c >σs，材料受载后先屈服，后断裂，此为韧
性断裂；
◆当T<t k，σ c <σs，材料受载后直接断裂，此为脆性断裂。

注：由于材料化学成分的统计性及组织的统计性，t k实际是一个范围而不是一个点。

（三）t k的测量方法（Method of Measuring t k）
由于t k确定的复杂，目前国内外尚无统一的标准，常用的方法如下：
①能量法（示意图见图3-5）
根据该图可知有下列三种能量方法可以测定t k
图3-5 各种韧脆转变温度的判据
a．低阶能开始上升的温度t k（Nil Ductility Temperature NDT），即当温度低于某一值时，A k基本不变，因而有
一平台式的低阶能，此时断口为100％结晶区。

b．高阶能（T高于某一温度时，A k也基本不变，表现高阶能），t k（Fracture Transition Plastic ）FTP ，此时断口为100%
纤维状。

C．平均温度t k＝（t k低＋t k高）/ 2 ,FTE (Fracture Transition Elastic)
②断口形貌法。

试样在不同温度下进行冲击试验，然后根据冲击断口的形貌，取结晶区面积占整个断口面积50 ％时的温度为t k，记为：50 ％FATT （Fracture Appcarance Transition Temperature）
（四）冲击断口的形貌(Topography of impact fracture surface) 典型的冲击断口的形貌示意图示于图3-6。

由图可见，如同拉伸断裂断口的形貌一样，冲击试样断口也由纤维区，放射区（结晶区）与剪切唇等几部分组成。

3．5 影响冲击韧性和t k的因素（Factors of effecting impact ductility and t k）
(一) 冶金因素（内部因素）（Metallurgical factors）
1．晶体结构(Crystal structure)
一般而言，bcc金属及其合金以及某些hcp金属及其合金存在低温脆性，而fcc金属及其合金一般不存在低温脆性。

为什么？
2．化学成分(chemical Composition)
一般有：
间隙元素含量升高，t k升高，σ升高，δ下降，但a k一般下降。

具体见★图3-7。

置换元素含量升高，t k升高，σ升高，δ下降，但a k一般也下降（Ni和一定量Mn元素除外），具体见图3-10。

这是由于a k值是强度和塑性两者的函数，并且塑性对a k影响更大。

3．晶粒大小(Grain size)
一般有：
晶粒尺寸下降，强度σ升高，塑性δ也升高，因此a k升高。

对铁素体，铁素体＋珠光体以及低合金钢组织，其t k可按下式计算：
βt k＝l n B －l n C －l n d－1/2（3-3）
式中，β、C、B为常数，d 为铁素体的晶粒直径
具体关系曲线见图3-9。

4．金相组织（Microstructure）
当强度较低时，a k、t k 以回火索氏体最佳，贝氏体次之，片状珠光体组织最差。

当强度中高时，贝氏体组织优于淬回火组织。

5．第二相(Second phase)
第二相存在一般都使σ升高，δ下降，a k一般下降，t k升高。

6．缺陷（夹杂物，偏析气泡，过烧及白点等）（Defects）
缺陷的存在一般都使a k一般下降，t k升高。

（二）、外部因素（External factors）
1、温度（Temperature）
从室温～900℃，对组织均匀的结构钢进行冲击实验时，发现在些温度范围内，a k值急剧下降，分别为冷脆区，蓝脆区及重结晶脆性区（见图3-10）
冷脆区：韧脆转变造成；
蓝脆区（由于该温度下，钢的氧化层为蓝色。

其机理主要是C、N等间隙原子在位错处偏聚造成，因此有变形速率越大，即位错运动速度越快，为保证间隙原子运动速度与位错相同，则温度应越高）：静载荷下：230～370℃、冲击载荷下则为：525～550℃；
重结晶脆性区：在A1~A3温度范围内出现的脆性。

它与钢处于两相混合状态有关。

一般有，当两相组织各占一半时，韧性下降最大。

★图3-10 钢的常见脆性温度范围
2、加载速率（Loading rate）
加载速率升高，t k升高，a k一般下降（见★图3-11）。

可见，加载速度提高，即变形速率增加，韧脆转变温度提高。

3、试样尺寸及形状（即应力状态）（Size and shape of specimen）
试样尺寸及形状的改变，实际上改变了材料内部的应力状态（即软、硬状态），从而改变了t k ，a k。

一般地有：
●缺口尖锐度升高，t k升高，a k一般下降；
●试样尺寸变大，应力状态变硬，t k升高，a k 下降。

作业（P.75）1：3：6：8：。