冲击韧性和低温脆性、疲劳
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材料性能测试技术
Performance Testing of Materials
上次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.4 材料弯曲的力学性能
1.5 材料扭转的力学性能
1.6 硬度
本次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.7 材料的冲击韧性和低温脆性
1.8 材料的疲劳性能
3
本次课的重点、难点
衡量指标：
冲击吸收功Ak，单位：J 冲击韧度ak (ak＝ Ak/Fk，单位：J/cm2) Fk：试样缺口处的横截面积
或称为冲击强度
7
2.冲击试验
常温冲击 实验温度 低温冲击 高温冲击 摆锤式（包括简支梁、悬臂梁） 试样的 落球式 受力状态 高速拉伸
8
采用的 大能量的一次冲击 能量和冲 小能量的多次冲击实验 击次数
单次冲击不足以破坏材料。 冲击疲劳、断裂 不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验 方法，由于各种试验方法中试样受力形式和 冲击物的几何形状不同，不同的试验方法所 测得的冲击强度结果不能相互比较。
9
摆锤式弯曲冲击
（a）简支梁型
（b）悬臂梁型
摆锤冲击试验中试样的安放方式
10
冲击性能 冲击性能实验是在冲击负荷的作用下 测定材料的冲击强度。 在实验中，对试样施加一次冲击负荷 使试样破坏，记录下试样破坏时或过程 中试样单位截面积所吸收的能量，即得 到冲击强度。 在工程应用上，冲击强度是一项重要 的性能指标，通过抗冲击试验，可以评 价材料在高速冲击状态下抵抗冲击的能 力或判断材料的脆性和韧性程度。
11
简支梁式摆锤冲击试验方法 • 仪器：简支梁冲击试验机，对试样施 加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试 样破坏时单位面积所吸收的能量表征该 材料的冲击韧性。 •简单易行，在控制产品质量、比较结 构或制品的韧性时是一种经常使用的测 试方法。
12
• 试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样 缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷
• 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最 大应力称为疲劳极限。用-1表示。 • 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
26
2. 疲劳断裂的特点
☺疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于
材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限 ☺断裂前没有明显的塑性变形，即使伸长率δ 和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此 ☺疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏 感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、 油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞 等处形成； ☺实验数据分散性较大
29
5. 不同形式的疲劳
☺热疲劳：由周期变化的热应力或热应变 引起的材料破坏，如热压辊，汽轮机叶片 ☺冲击疲劳：由周期变化的热应力或热应 变引起的材料破坏，如小能量多次冲击试 验
☺腐蚀疲劳：腐蚀性介质因使材料表面腐 蚀产生蚀坑而降低材料的疲劳强度
30
本次课小结
第一章 材料的力学性能
1.7 材料的冲击韧性和低温脆性
24
内 因
外 因
（4）温度 钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为 蓝色）。冲击韧性降低，韧变脆 （5）加载速率 加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度Tk↑ （6）试样尺寸和形状 试样增厚，Tk↑（表面上的拉压应力最大）； 带缺口，应力集中，脆性↑，Tk ↑。
25
1. 8 材料的疲劳性能
1. 疲劳断裂 指在低于s 变动应力的作用下，零件经过 较长时间工作或多次应力循环后所发生的 突然断裂现象。 性能指标：疲劳极限（强度）
13
原理：试样被冲断过 程中吸收的能量即冲 击吸收功（Ak ）等于 摆锤冲击试样前后的 势能差。 计算公式： Ak=Gh – G h1 =G（h – h1） = AK/Fk （KJ/m2）
式中：AK——冲击功，试样断裂前吸收的能量； Fk ——缺口处截面面积；G——摆锤重量； h－ h1——冲断试样前后摆锤的高度差
22
Ak是对材料的成分和组织敏感的力学
性能指标。奥氏体钢韧性最高，无明显 的Tk ，低温韧性好；低强度铁素体钢 韧性次之，有明显的Tk ，低温韧性差； 高强度钢韧性最差，即使室温韧性也很 低。
23
4.影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
（1）晶体结构 体心立方金属具有韧脆转变温度，低温脆性 严重，而大多数面心立方金属没有。 （2）化学成分 杂质元素S、P、As、Sn、Pb 使韧性↓ （3）显微组织 晶粒大小：细化晶粒使材料韧性增加
重点： 冲击韧性，韧脆转变温度，疲劳极限
难点：
冲击试验原理与方法
材 料 的 力 学 性 能
拉伸 弯曲 压缩 静载荷 扭转 硬度 冲击 磨损 动载荷 疲劳 高温力学性能 高温
5
1. 7 材料的冲击韧性和低温脆性
1.材料的冲击韧性
冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和 断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。
27
3.零件疲劳失效的过程
零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、 疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。 疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即 疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。 1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂
28
4. 提高疲劳强度的途径
☺合理的选择材料。
☺零件设计时形状、尺寸合理。
☺降低零件表面粗糙度，提高表面加工质 量。 ☺采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、 表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提 高疲劳强度。
14
15
3.冲击韧性的用途
AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性 力学性能指标，零件设计时，虽不能直接 计算，但它是一个重要参考。
☺评定材料的冶金质量和热加工产品质量。
☺评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。
☺评定材料的低温脆性情况，可以测定材料 的韧脆转变温度范围。
16
工程中常将材料的屈服强度与冲击韧性 结合在一起用于零件及结构的设计。 焊接结构设计中，除了强度的要求外， 规定焊接接头冲击吸收功 Ak > 27J
1.8 材料的疲劳性能
作业
1. 什么是冲击韧性?评价材料冲 击韧性的性能指标是什么？ 2. 什么是韧脆转变温度？
3. 疲劳断裂的特点有哪些？
17
4.低温脆性及韧脆转变温度 （1）低温脆性现象
在低温下，材料的脆性急剧增加。
对压力容器、桥梁、汽车、船舶的 影响较大。 实质为温度下降，屈服强度急剧增加
18
T<Tk, 先达到s， 脆性断裂
T >Tk, 先达到 s，韧性断裂
19
通过测定材料在不同温度下的 冲击吸收功，就可测出某种材料冲 击吸收功与温度的关系曲线。
不同温度下的冲击试验称为系 列冲击试验
20
系列冲击试验
奥氏体钢
冲击吸收功 Ak
低Biblioteka Baidu度铁素体钢
高强度钢
Tk
温度T
21
（2）韧脆转变温度
温度对材料的韧性影响很大，在某个 温度下，冲击吸收功发生急剧下降，试 样断口由韧性断口过渡为脆性断口，材 料由韧性状态转变为脆性状态，此温度 称为韧脆转变温度，Tk。 Ak越高，Tk越低，材料的韧性越好。 材料的使用温度应高于Tk
Performance Testing of Materials
上次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.4 材料弯曲的力学性能
1.5 材料扭转的力学性能
1.6 硬度
本次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.7 材料的冲击韧性和低温脆性
1.8 材料的疲劳性能
3
本次课的重点、难点
衡量指标：
冲击吸收功Ak，单位：J 冲击韧度ak (ak＝ Ak/Fk，单位：J/cm2) Fk：试样缺口处的横截面积
或称为冲击强度
7
2.冲击试验
常温冲击 实验温度 低温冲击 高温冲击 摆锤式（包括简支梁、悬臂梁） 试样的 落球式 受力状态 高速拉伸
8
采用的 大能量的一次冲击 能量和冲 小能量的多次冲击实验 击次数
单次冲击不足以破坏材料。 冲击疲劳、断裂 不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验 方法，由于各种试验方法中试样受力形式和 冲击物的几何形状不同，不同的试验方法所 测得的冲击强度结果不能相互比较。
9
摆锤式弯曲冲击
（a）简支梁型
（b）悬臂梁型
摆锤冲击试验中试样的安放方式
10
冲击性能 冲击性能实验是在冲击负荷的作用下 测定材料的冲击强度。 在实验中，对试样施加一次冲击负荷 使试样破坏，记录下试样破坏时或过程 中试样单位截面积所吸收的能量，即得 到冲击强度。 在工程应用上，冲击强度是一项重要 的性能指标，通过抗冲击试验，可以评 价材料在高速冲击状态下抵抗冲击的能 力或判断材料的脆性和韧性程度。
11
简支梁式摆锤冲击试验方法 • 仪器：简支梁冲击试验机，对试样施 加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试 样破坏时单位面积所吸收的能量表征该 材料的冲击韧性。 •简单易行，在控制产品质量、比较结 构或制品的韧性时是一种经常使用的测 试方法。
12
• 试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样 缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷
• 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最 大应力称为疲劳极限。用-1表示。 • 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
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2. 疲劳断裂的特点
☺疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于
材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限 ☺断裂前没有明显的塑性变形，即使伸长率δ 和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此 ☺疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏 感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、 油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞 等处形成； ☺实验数据分散性较大
29
5. 不同形式的疲劳
☺热疲劳：由周期变化的热应力或热应变 引起的材料破坏，如热压辊，汽轮机叶片 ☺冲击疲劳：由周期变化的热应力或热应 变引起的材料破坏，如小能量多次冲击试 验
☺腐蚀疲劳：腐蚀性介质因使材料表面腐 蚀产生蚀坑而降低材料的疲劳强度
30
本次课小结
第一章 材料的力学性能
1.7 材料的冲击韧性和低温脆性
24
内 因
外 因
（4）温度 钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为 蓝色）。冲击韧性降低，韧变脆 （5）加载速率 加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度Tk↑ （6）试样尺寸和形状 试样增厚，Tk↑（表面上的拉压应力最大）； 带缺口，应力集中，脆性↑，Tk ↑。
25
1. 8 材料的疲劳性能
1. 疲劳断裂 指在低于s 变动应力的作用下，零件经过 较长时间工作或多次应力循环后所发生的 突然断裂现象。 性能指标：疲劳极限（强度）
13
原理：试样被冲断过 程中吸收的能量即冲 击吸收功（Ak ）等于 摆锤冲击试样前后的 势能差。 计算公式： Ak=Gh – G h1 =G（h – h1） = AK/Fk （KJ/m2）
式中：AK——冲击功，试样断裂前吸收的能量； Fk ——缺口处截面面积；G——摆锤重量； h－ h1——冲断试样前后摆锤的高度差
22
Ak是对材料的成分和组织敏感的力学
性能指标。奥氏体钢韧性最高，无明显 的Tk ，低温韧性好；低强度铁素体钢 韧性次之，有明显的Tk ，低温韧性差； 高强度钢韧性最差，即使室温韧性也很 低。
23
4.影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
（1）晶体结构 体心立方金属具有韧脆转变温度，低温脆性 严重，而大多数面心立方金属没有。 （2）化学成分 杂质元素S、P、As、Sn、Pb 使韧性↓ （3）显微组织 晶粒大小：细化晶粒使材料韧性增加
重点： 冲击韧性，韧脆转变温度，疲劳极限
难点：
冲击试验原理与方法
材 料 的 力 学 性 能
拉伸 弯曲 压缩 静载荷 扭转 硬度 冲击 磨损 动载荷 疲劳 高温力学性能 高温
5
1. 7 材料的冲击韧性和低温脆性
1.材料的冲击韧性
冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和 断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。
27
3.零件疲劳失效的过程
零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、 疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。 疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即 疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。 1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂
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4. 提高疲劳强度的途径
☺合理的选择材料。
☺零件设计时形状、尺寸合理。
☺降低零件表面粗糙度，提高表面加工质 量。 ☺采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、 表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提 高疲劳强度。
14
15
3.冲击韧性的用途
AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性 力学性能指标，零件设计时，虽不能直接 计算，但它是一个重要参考。
☺评定材料的冶金质量和热加工产品质量。
☺评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。
☺评定材料的低温脆性情况，可以测定材料 的韧脆转变温度范围。
16
工程中常将材料的屈服强度与冲击韧性 结合在一起用于零件及结构的设计。 焊接结构设计中，除了强度的要求外， 规定焊接接头冲击吸收功 Ak > 27J
1.8 材料的疲劳性能
作业
1. 什么是冲击韧性?评价材料冲 击韧性的性能指标是什么？ 2. 什么是韧脆转变温度？
3. 疲劳断裂的特点有哪些？
17
4.低温脆性及韧脆转变温度 （1）低温脆性现象
在低温下，材料的脆性急剧增加。
对压力容器、桥梁、汽车、船舶的 影响较大。 实质为温度下降，屈服强度急剧增加
18
T<Tk, 先达到s， 脆性断裂
T >Tk, 先达到 s，韧性断裂
19
通过测定材料在不同温度下的 冲击吸收功，就可测出某种材料冲 击吸收功与温度的关系曲线。
不同温度下的冲击试验称为系 列冲击试验
20
系列冲击试验
奥氏体钢
冲击吸收功 Ak
低Biblioteka Baidu度铁素体钢
高强度钢
Tk
温度T
21
（2）韧脆转变温度
温度对材料的韧性影响很大，在某个 温度下，冲击吸收功发生急剧下降，试 样断口由韧性断口过渡为脆性断口，材 料由韧性状态转变为脆性状态，此温度 称为韧脆转变温度，Tk。 Ak越高，Tk越低，材料的韧性越好。 材料的使用温度应高于Tk