第03章 金属在冲击载荷下的力学性能
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温冲击试验）可得到Ak与温度的关系曲线，测定材料的 韧脆转变温度。
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二、冲击试验
冲击实验机
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摆锤5、10、15、30kg，试样尺 55×10×10mm，无缺口，有缺口（U；V） 记为Aku, AKV。 注：冲击韧度：αKU 表示。Aku 除以冲击试样缺 口底部截面积所得的值。 A =mgH -mgH
第三章
金属在冲击载荷下的力学性能
引言 §3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性及韧脆转变温度 §3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
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引言
冲击载荷与静载荷的主要在于加载速率不同； 加载速率佷高，而后者加载速率低。 加载速率用应力增长率σ=dσ/dt表示，单位为MPa／s。 形变速率有两种表示方法：即绝对形变速率和相对形变速率。 绝对变形速率为单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt， 单位为m／s。 相对变形速率即应变速率， ε =de/dτ e为真应变，单位为s-1。
k 1 2
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注意问题：
Ak值并不能真正反映材料的韧脆程度，由于一部 分功消耗于试样掷出，机身振动，空气阻力等等。 尤其是摆锤的轴线与缺口中心线不一致的时。 Ak值不同：缺口的形状，尺寸，试验机不同，标 准试样，它们之间不能进行换算，也没有可比性。 所以，注意冲击弯曲试验条件。
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原因一：
纯金属单晶体的屈服强度是 由位错运动所受各种阻力决 定的。在bcc金属中，派纳力 值比fcc金属值高很多，它在 屈服强度中占有较大的比例， 而派纳力属于短程力，对温度 十分敏感。bcc金属的屈服强 度具有强烈的温度效应可能是 由派纳力起主要作用导致的。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
原因二： 迟屈服现象：对低碳钢施加一高速载荷高 于σ s时，材料并不立即产生屈服，而需要 一定孕育期（迟屈服时间）才开始塑性变 形。在孕育期内只发生弹性变形，由于没 有塑性变形消耗能量，有利于裂纹的扩展， 从而易表现为脆性破坏。 原因三： 柯氏气团：使位错运动受阻
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二、影响冲击性能的微观因素
（1）在冲击载荷的作用下，在位错上产生相当高的应 力， 位错的运动速率↑，派纳力增大， 滑移临界切应力↑， 金属产生附加强化， 这就是应变速率硬化。
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（2）同时开动的位错源增加，增加位错密 度和滑移系数目，点缺陷浓度增加等等， 使塑性变形难以进行， ∴屈服强度提高得较多。 （3）显微观察表明，内部的塑性变形不均 匀。（静载荷：塑性变形分布于各个晶粒 中；冲击载荷：局部区域）
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性及其作用
1、冲击韧性：材料在冲击载荷作用下，吸收 塑性变形功和断裂功的能力。Ak ,单位，J； 2、作用 （1）揭示冶金缺陷的影响；（揭示原材料中的 夹渣，气泡，严重分层和偏析） （2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆性倾向。根据系列冲击试验（低
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第三节 低温脆性
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，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型，断口特 征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。 注意：面心立方金属及其合金一般没有低温脆性 现象。高强度的体心立方合金（高强度钢和超高 强度钢）在很宽的温度范围内，冲击吸收功均较 低，韧脆转变不明显。
在低温下服役的零件，其最低工作温度应 高于韧-脆转变温度。 韧-脆转变温度实际上不是一个温度而是一 个温度区间。 韧性储备的大小取决于机件的重要程度。
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韧脆转化温度的确定原理
按照能量法定义t k的方法
21
按照断口形貌定义t k的方法
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注意问题：
（1）由于方法不同，t k值是不一样的。 （2）同一材料，同一方法，外界因素不同 (试样尺寸，加载速率等），t k值也不同。 因此，并不能说明制成的机件一定在该温 度下脆断。 但是，可以根据t k值直接或间接的估计它们 的最低使用温度。
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试验难点1：材料到底可能变得有多脆？
三管齐下，使材料处于最脆的状态：
A. 开切口，改变应力状态，降低应力状态 软性系数 B. 提高加载速率，使位错来不及充分运动， 塑性变形受阻。 C. 降低温度，使体心立方金属的柯氏气团 钉扎位错更稳固，位错运动进一步受阻。
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试验难点2：材料韧脆转变温度是多少？
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低温脆性的物理本质：材料屈服强度随温度降低急剧 增加
高于tk，σc>σs 材料先屈服再断裂 ，为韧性断裂。 σc< σs 材料表现为脆性断裂。
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试验目的
为了评价金属材料在低温条件下可能出现 脆性的程度，采用低温系列冲击试验的方 法进行测试和评估。 通过这种评价方法，可以回答两个在选用 材料时所关心的问题： （1）材料到底可能变得有多脆？ （2）材料的韧脆转变温度是多少？
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影响韧脆转变温度的冶金元素
（1）晶体结构
（2）化学成份
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a. 间隙溶质元素：偏聚于位错 附近，阻碍位错运动，导致屈服 强度提高。 b. 置换型溶质元素，也能提高 韧脆转变温度，但是Ni和Mn 除外，Ni能减小低温位错运动 的摩擦阻力，还增加层错能， 提高低温韧性。 c. 杂质元素：S, P, As, Sn, Sb, 降低 钢的韧性。这是由于杂质元素偏聚 于晶界，降低晶界的表面能，产生 沿晶脆性断裂。
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应变率 静拉伸试验 ε =10-5～10-2 s-1
冲击试验 ε =102～104 s-1
一般情况下 ε =10-4～10-2 s-1，可按静载荷
处理；当ε大于10-2 S-1,金属的力学性能将发生显著的变
化，不能按照静载荷来处理。
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§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
一、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；机件及与机件联接物体的刚度。 机件在冲击载荷下的应力，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。
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韧性温度储备：
Δ =t0-tk t0为材料使用温度 两者之间的比值越大，越安全。 Δ 值一般取40-60 oC ,对于受冲击载荷作用 的重要机件， Δ 取60 oC，不受冲击载荷作 用的非重要机件， Δ 取20 oC；中间值取40 oC
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分析与讨论
（1）为什么通常采用切口冲击韧性测定法 评定结构钢的低温脆性？ （2）为什么温度下降会导致金属产生脆性？
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二、冲击试验
冲击实验机
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摆锤5、10、15、30kg，试样尺 55×10×10mm，无缺口，有缺口（U；V） 记为Aku, AKV。 注：冲击韧度：αKU 表示。Aku 除以冲击试样缺 口底部截面积所得的值。 A =mgH -mgH
第三章
金属在冲击载荷下的力学性能
引言 §3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性及韧脆转变温度 §3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
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引言
冲击载荷与静载荷的主要在于加载速率不同； 加载速率佷高，而后者加载速率低。 加载速率用应力增长率σ=dσ/dt表示，单位为MPa／s。 形变速率有两种表示方法：即绝对形变速率和相对形变速率。 绝对变形速率为单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt， 单位为m／s。 相对变形速率即应变速率， ε =de/dτ e为真应变，单位为s-1。
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注意问题：
Ak值并不能真正反映材料的韧脆程度，由于一部 分功消耗于试样掷出，机身振动，空气阻力等等。 尤其是摆锤的轴线与缺口中心线不一致的时。 Ak值不同：缺口的形状，尺寸，试验机不同，标 准试样，它们之间不能进行换算，也没有可比性。 所以，注意冲击弯曲试验条件。
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原因一：
纯金属单晶体的屈服强度是 由位错运动所受各种阻力决 定的。在bcc金属中，派纳力 值比fcc金属值高很多，它在 屈服强度中占有较大的比例， 而派纳力属于短程力，对温度 十分敏感。bcc金属的屈服强 度具有强烈的温度效应可能是 由派纳力起主要作用导致的。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
原因二： 迟屈服现象：对低碳钢施加一高速载荷高 于σ s时，材料并不立即产生屈服，而需要 一定孕育期（迟屈服时间）才开始塑性变 形。在孕育期内只发生弹性变形，由于没 有塑性变形消耗能量，有利于裂纹的扩展， 从而易表现为脆性破坏。 原因三： 柯氏气团：使位错运动受阻
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二、影响冲击性能的微观因素
（1）在冲击载荷的作用下，在位错上产生相当高的应 力， 位错的运动速率↑，派纳力增大， 滑移临界切应力↑， 金属产生附加强化， 这就是应变速率硬化。
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（2）同时开动的位错源增加，增加位错密 度和滑移系数目，点缺陷浓度增加等等， 使塑性变形难以进行， ∴屈服强度提高得较多。 （3）显微观察表明，内部的塑性变形不均 匀。（静载荷：塑性变形分布于各个晶粒 中；冲击载荷：局部区域）
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性及其作用
1、冲击韧性：材料在冲击载荷作用下，吸收 塑性变形功和断裂功的能力。Ak ,单位，J； 2、作用 （1）揭示冶金缺陷的影响；（揭示原材料中的 夹渣，气泡，严重分层和偏析） （2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆性倾向。根据系列冲击试验（低
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第三节 低温脆性
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，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型，断口特 征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。 注意：面心立方金属及其合金一般没有低温脆性 现象。高强度的体心立方合金（高强度钢和超高 强度钢）在很宽的温度范围内，冲击吸收功均较 低，韧脆转变不明显。
在低温下服役的零件，其最低工作温度应 高于韧-脆转变温度。 韧-脆转变温度实际上不是一个温度而是一 个温度区间。 韧性储备的大小取决于机件的重要程度。
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韧脆转化温度的确定原理
按照能量法定义t k的方法
21
按照断口形貌定义t k的方法
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注意问题：
（1）由于方法不同，t k值是不一样的。 （2）同一材料，同一方法，外界因素不同 (试样尺寸，加载速率等），t k值也不同。 因此，并不能说明制成的机件一定在该温 度下脆断。 但是，可以根据t k值直接或间接的估计它们 的最低使用温度。
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试验难点1：材料到底可能变得有多脆？
三管齐下，使材料处于最脆的状态：
A. 开切口，改变应力状态，降低应力状态 软性系数 B. 提高加载速率，使位错来不及充分运动， 塑性变形受阻。 C. 降低温度，使体心立方金属的柯氏气团 钉扎位错更稳固，位错运动进一步受阻。
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试验难点2：材料韧脆转变温度是多少？
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低温脆性的物理本质：材料屈服强度随温度降低急剧 增加
高于tk，σc>σs 材料先屈服再断裂 ，为韧性断裂。 σc< σs 材料表现为脆性断裂。
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试验目的
为了评价金属材料在低温条件下可能出现 脆性的程度，采用低温系列冲击试验的方 法进行测试和评估。 通过这种评价方法，可以回答两个在选用 材料时所关心的问题： （1）材料到底可能变得有多脆？ （2）材料的韧脆转变温度是多少？
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影响韧脆转变温度的冶金元素
（1）晶体结构
（2）化学成份
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a. 间隙溶质元素：偏聚于位错 附近，阻碍位错运动，导致屈服 强度提高。 b. 置换型溶质元素，也能提高 韧脆转变温度，但是Ni和Mn 除外，Ni能减小低温位错运动 的摩擦阻力，还增加层错能， 提高低温韧性。 c. 杂质元素：S, P, As, Sn, Sb, 降低 钢的韧性。这是由于杂质元素偏聚 于晶界，降低晶界的表面能，产生 沿晶脆性断裂。
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应变率 静拉伸试验 ε =10-5～10-2 s-1
冲击试验 ε =102～104 s-1
一般情况下 ε =10-4～10-2 s-1，可按静载荷
处理；当ε大于10-2 S-1,金属的力学性能将发生显著的变
化，不能按照静载荷来处理。
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§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
一、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；机件及与机件联接物体的刚度。 机件在冲击载荷下的应力，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。
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韧性温度储备：
Δ =t0-tk t0为材料使用温度 两者之间的比值越大，越安全。 Δ 值一般取40-60 oC ,对于受冲击载荷作用 的重要机件， Δ 取60 oC，不受冲击载荷作 用的非重要机件， Δ 取20 oC；中间值取40 oC
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分析与讨论
（1）为什么通常采用切口冲击韧性测定法 评定结构钢的低温脆性？ （2）为什么温度下降会导致金属产生脆性？