第3章 材料在冲击载荷下的力学性能

材料性能学
4.3 显微组织
（1）晶粒大小 细化晶粒可使材料的 韧性增加
韧脆转变温度与 铁素体晶粒大小 的关系
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。
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（2）金相组织
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1.3 应变速率对塑性和韧性的影响
塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关： 如果在一定加载条件及温度下，材料产生正断，则断裂应 力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小； 如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加， 塑性的变化不一定，可能不变或提高。

应变速率对18Ni马氏 体时效钢塑性的影响
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1.1 应变速率对塑性变形的影响 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进 行，主要有以下两方面的原因：

1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错 源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段 的产生与发展。 2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现 孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加 了点缺陷的浓度。
应变速率对35CrNiMoV钢塑性的影响
材料性能学 二、冲击弯曲和冲击韧性
为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响， 需要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。 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， 常用标准试样的冲击吸收功 AK表示。 冲击弯曲试验标准试样 是U形或V形缺口，对 应的冲击吸收功分别记 为AKU和AKV
温度高于tk时，σc＞ σs，材料先屈服后断裂，为韧性断裂； 温度低于tk时，σc＜σs，材料先断裂，为脆性断裂； tk时实际上是一个温度区间
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3.2 韧脆转变温度

冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线
Ak急剧减小
拉伸试验，应力－应变曲线 σs急剧增加 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线
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（3）韧脆转变温度tk的工程意义
韧脆转变温度tk是韧性指标，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， △值取40－60º。对于受冲 击载荷作用的重要机件，取60º；不受冲击载荷的非重要 机件，取20º；中间者取40º。 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，不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆 裂。原因：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。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同
加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加 的数值表示。 形变速率：单位时间的变形量。加载速率提高，形变速率也增加。相 对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。
de d

冲击载荷 102－104s-1 静载荷 10-5－10-2s-1

(Fracture transition plastic) 最保守
(c) 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）。
各种韧脆转变温度准则
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（2）按断口形貌定义tk的方法
冲击断口形貌示意图 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。

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3.3 落锤试验和断裂分析图（不要求）
材料性能学 四、影响韧脆转变温度的冶金因素
4.1 晶体结构
体心立方金属及其合金存在低温脆性。普通中、低强度钢 的基体是铁素体，此类钢具有明显的低温脆性。 面心立方金属及其合金一般认为无低温脆性。 高强度和超高强度体心立方结构钢，在很宽的温度范围内 冲击值均较低，韧脆转变不明显。 原因：面心立方的屈服强度随温度的变化比体心立方小的 多，当温度从室温降低到-196º时，体心立方的屈服强度增 加3－8倍，面心立方只增加2倍。
冲击弯曲试验原理图
材料性能学 冲击吸收功AK 的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：
原因：
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。 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%。
材料性能学 三、低温脆性
3.1 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。
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4.2 化学成分
右图为在α-Fe中加入间隙元素 和置换元素对其韧脆转变温度 的影响 间隙溶质元素偏聚于位错线 附近，阻碍位错运动，提高tk 。 置换元素（除Ni、Mn外） 一般也提高tk。 杂质元素S、P等偏聚于晶界， 产生沿晶脆性断裂，降低钢的 韧性。
（a）含碳量（b）合金元素对韧 脆转变温度的影响
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1一14周
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第三章 金属在冲击载荷下的 力学性能
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许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、 飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造） 等，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。
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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。
JB-S300数显冲击试验机
(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。

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。

在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下 获得下贝氏体组织，则Ak 与tk 优于同强度的淬火回火 组织。相同强度水平下，典型上贝氏体的tk 优于下贝 氏体。 在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂。 钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要 影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺 寸增大时材料韧性下降，tk升高。
（a）20钢和（b）15MnMoV在不同温度下的力－伸长曲线
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（1）按能量法定义tk的方法
(a) 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”。tK: NDT(Nil ductility
temperature)无塑性或零塑性转变温度。
(b) 高于某一温度时，材料吸收 的能量基本不变，出现一个上平 台，称为“高阶能”。tK: FTP
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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1.2 应变速率对强度的影响
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。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。
纯铁的应力－应变曲线 1－冲击载荷 2－静载荷
应变速率对18Ni马氏 体时效钢强度的影响
材料性能学 一、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。 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。 冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为 4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对 金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲 击载荷下难以发生塑性变形。
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
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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韧 脆转变温度tk。 σc

屈服强度和断裂强度随温度变化示意图