金属在冲击载荷下的力学性能

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图3-2 各种韧脆转变温度判据
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(2) 以高阶能定义tk，FTP(fracture transition
plastic)
高于FTP ，断口由100%纤维区组成。
(3) 以低阶能和高阶能平均值来定义tk ：
FTE (fracture transition elastic)
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的韧脆程度。
Ak＝试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机 座振动功＋…… ＝弹性变形功Ae+塑性变形功Ap+断裂功Ad 。 对韧性有贡献。
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(3) ak物理意义不明确 除了与材料本性有关外，很大程度上取
决于参加塑性变形的体积而不仅仅是缺口(折
断处)的原始截面积； 另外，对于有缺口试样，由于缺口截面 上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主 要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak 是一个纯数学量。 直接用Ak更有意义。
内部缺陷使Ak↓。
4、表面状态的影响
同一材料，Akv <Aku<光滑试样的Ak。
四、强度等级的影响 1、中、低强度钢冷脆转变明显。 2、高强度钢没有明显的冷脆转变：其本身 Ak就较低。
(2) fcc中，τP-N对t不敏感，σs随温度变化小，
所以一般无冷脆或冷脆温度极低。
韧性是强度与塑性两者的函数，但塑性的
影响大于强度。
强度、塑性均↑，韧性↑：细化晶粒。
强度↑、塑性↓，韧性↓：第二相强化。
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二、化学成分
(1) 间隙原子，使韧性降低，提高其韧脆
转变温度。
(2) 钢中的置换原子，一般提高韧脆转变
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§3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素
一、晶体结构的影响
1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。
2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般 不存在低温脆性。 3、普通中、低强度钢的基体为bcc的F，所 以均具有明显的低温脆性。
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bcc与fcc冷脆差异的原因
(1) t↓，bcc中τP-N↑↑，σs↑↑，tk↑，所以变脆。
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二、冲击吸收功和冲击韧度
1、冲击吸收功 Ak
为冲断试样过程中所消耗的功。 2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)ak
Ak ak F
F：试样缺口(折断处)的原始截面积。
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3、讨论 (1) 通常将Ak 、ak作为衡量材料抵抗冲击 载荷作用的力学性能指标，Ak 、ak值越大，材 料的韧性越好。 (2) 无论Ak还是ak均不能完全真正反映材料
1、低温脆性及韧脆转变温度
金属或合金，当温度低于某一温度tk 时，
Ak明显↓，转变为脆性状态，该现象称为低温
脆性(冷脆)。——多为bcc、hcp结构。
韧脆转变温度tk：冲击韧性显著下降的温 度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。
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2、低温脆性(冷脆)的物理本质
材料的屈服强度随温度降低急剧增加，
1、能反映原材料的冶金质量和热加工后
的产品质量—ak对材料品质、宏观缺陷、显微
组织敏感；
2、根据冲击试验得到Ak(ak)－T曲线，测
定材料的韧脆转变温度，从而可以评定材料
的低温脆性倾向；
3、对σs大致相同的材料，根据Ak值可以
评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。
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§3.3 低温脆性 一、低温脆性(冷脆)现象
2、金相组织的影响
(1) 单相的Ak高于复相合金。
特殊：高碳回火马氏体中分布少量残余奥
氏体—冲击性能较高，韧脆转变温度低。
(2) 第二相越细小，均匀分布，Ak↑，韧脆
转变温度低。
(3) 球状第二相Ak>片状或网状第二相的Ak。
(4) 第二相与基体性能越接近，Ak↑，韧脆 转变温度低。
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3、内部缺陷的影响
而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小，
两者相交于tk。
图3-1 屈服强度和解理断裂强度随温度的变化
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当t>tk 时，σc>σs ，随外力↑，先屈服，后
断裂→韧性断裂。 当t<tk 时， σc<σs ，外加应力先达到σc ，(屈 服的同时发生断裂)为脆性断裂。
可见
凡是使σc↑的因素，都使tk↓——有利。
(4) 机件的最低使用温度必须高于tk，两者之差
越大越安全。 △＝t0-tk称为韧性温度储备。通常tk
为负值，t0应高于tk，所以△为正值。一般取
40－60℃。
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注意
(1) 由于定义方法不同，同一材料所得到 的tk不同； (2) 同一材料，使用同一定义方法，由于 外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度 和加载速率发生变化，tk也发生变化。 (3) 在一定条件下，用试样测得的tk，因 和实际结构工况无直接联系，不能说明该材 料构成的机件一定在该温度下脆断。
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细化晶粒提高韧性的原因
(1) 晶界是裂纹扩展的阻力。d↓，阻力↑， 脆性↓。 (2) d↓，位错塞积群长度↓，应力集中↓， 不易产生解理裂纹，脆性↓。 (3) d↓，晶粒中心与边缘变形的不均匀性↓， 不易产生裂纹，脆性↓。 (4) 晶界总面积增加，杂质浓度减少，避免 产生沿晶脆断。
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温 度 ， 降 低 韧 性 。 但 Ni 和 Mn 例 外 。
(3) 杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性，
提高韧脆转变温度。
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三、显微组织的影响
1、晶粒大小的影响
晶粒尺寸↓，亚晶尺寸↓，胞状结构尺寸↓，
使Ak↑，ak↑，tk↓。
1 2
tk ln B ln C ln d
2、按断口形貌定义tk的方法 冲击试样断口一般也存在三个区：纤维区、
放射区、剪切唇。
图3-3 冲击断口形貌示意图
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通常取结晶区面积占整个断口面积50%时
的 温 度 为 tk 。 并 记 为 50%FATT(fracture appearance transition temperature)或FATT50 、 t50。 优点：反应了裂纹扩展变化的特征，与 断裂韧度KIC急剧变化的温度较好对应。 缺点：测量受人为影响较大。
凡是使σs↑的因素，都使tk↑——不利。
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二、韧脆转变温度的确定 由于韧性是强度、塑性的综合表现，故可 用断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小、断 口形貌等确定tk 。 1、按能量定义tk (1) 以低阶能定义tk ，NDT (nil ductility temperature)——无塑性或零塑性转变温度。 低于NDT，断口由100%结晶区组成。
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3、韧脆转变温度的意义
(1) tk 也是材料的韧性指标，因为它反映
了温度对韧脆性的影响。
(2) tk与δ、ψ、Ak(ak)、NSR一样，也是安
全性指标，从韧性角度选材的重要依据之一， 可用于抗脆断设计。 (3) 对于低温下服役的机件，依据tk可以 直接或间接地估计它们的最低使用温度。
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(4) Ak 、ak不能真实反映一般零件承受上
千万次冲击载荷的能力 只有承受大能量冲击的零件，如炮弹， 装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak 才
可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大
部分零件的工作状态还承受小能量多次重复 冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。
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三、冲击弯曲试验用途
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(4) 冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提 高； (5) 塑性变形的不均匀增加，尤其是多晶 体金属—塑性变形往往集中在某些晶粒内。 原因：冲击瞬间位错运ຫໍສະໝຸດ Baidu的应力 ↑↑→许多位错源同时开动→位错密度↑ → 派纳力↑→滑移的临界切应力↑，满足条件 的晶粒少。
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§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
希望测得冲击载荷下的变形抗力、变形能 力，即动屈服点、动伸长率等——难 将冲击载荷作为能量载荷处理——测定 材料承受冲击能量的能力。 冲击韧性指的是材料在冲击载荷作用下， 吸收塑性变形功和断裂功的大小。常用标准 试样的冲击吸收功Ak来表示。
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一、冲击弯曲试验(冲击韧性试验) 韧性材料，开缺口：夏比U型缺口和V型 缺口。 脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具 钢等。 标准试样尺寸：10mm×10mm×55mm。
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第三章
金属在冲击载荷下的力学性能
冲击：以很大的速度将负荷作用到机器零件上 去的一种加载方式。
de 应变速率 d
单位时间内应变的变化量s-1
静拉伸试验 105 ~ 102 s1
冲击试验 102 ~ 104 s1
104 ~ 102 s1 静载荷处理
力性未显著变化
冲击载荷处理 102 s1
力性发生显著变化
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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) 包括弹性变形，塑性变形，断裂；
(2) 吸收的冲击能测不准；
时间短；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) 变形速度对金属材料的弹性行为及弹 性模量无影响；