1、1第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能韌、脆的相對性韌脆影響因素：應力狀態(tài)的影響形變速率的影響溫度的影響2材料韌脆性評價方法材料的力學性能跟材料的本性有關(guān)韌性材料、脆性材料3有些機器零件在服役時會受到很大的沖擊載荷的作用(形變速率大)4許多機器零件在服役時往往受不同程度沖擊載荷的作用汽車行駛通過道路上的凹坑（軸承）車輛在啟動、制動或改變速度時，發(fā)動機連桿、曲軸，變速器的齒輪，傳動軸等零件都會受到?jīng)_擊；制動越猛，沖擊力越大。金屬壓力加工(鍛造、模鍛、軋制)ded & =應變速率e為真應變機器中各種機件的應變速率 =10-6106 s-1靜拉伸試驗 =10-510-2 s-1沖擊試驗 =102

2、104 s-110-2 s-1 沖擊載荷，金屬力學性能將顯著變化5沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別：加載速度不同加載速率：載荷施加于試樣或機件時的速率(單位時間內(nèi)應力增加的數(shù)值)形變速率：單位時間內(nèi)的變形量加載速率形變速率形變速率間接反映加載速率的變化絕對形變速率形變速率相對形變速率(應變速率)6應變速率溫度金屬材料的變脆傾向增大沖擊韌性低溫脆性73.1沖擊載荷下變形和斷裂的特點3.2沖擊彎曲和沖擊韌性3.3低溫脆性3.4影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度冶金因素主要內(nèi)容8一、沖擊失效的特點（1）與靜載荷下相同：彈性變形、塑性變形、斷裂。（2）吸收的沖擊能測不準。時間短；取決于機件及與機件聯(lián)接物體的剛度。通常假定沖擊

3、能全部轉(zhuǎn)換成機件內(nèi)的彈性能，再按能量守恒法計算。（3）應變速率對材料的彈性行為及彈性模量無影響。金屬中彈性變形的傳播速度4982m/s（聲速）,普通擺錘沖擊試驗的絕對變形速度55.5m/s。3.1 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點9位錯的運動速率滑移臨界切應力沖擊載荷下應力水平高，多位錯源同時開動。位錯密度點缺陷濃度內(nèi)部的塑性變形不均勻靜載荷下，塑性變形較均勻分布在各晶粒中沖擊載荷下，塑性變形比較集中在某些局部區(qū)域，塑性變形是極不均勻的屈服強度、抗拉強度提高屈服強度提高得較多。（4）應變速率對塑性變形、斷裂及有關(guān)力學性能有顯著影響。103.2 沖擊彎曲和沖擊韌性為了顯示加載速率和缺口效應對金屬材

4、料韌性的影響，需要進行缺口試樣沖擊彎曲試驗，測定材料的沖擊韌性。沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力常用標準試樣的沖擊吸收功Ak表示。11擺錘式?jīng)_擊試驗機12擺錘擺桿試樣支座131、缺口試樣沖擊彎曲試驗原理試樣水平放在試驗機支座上，缺口位于沖擊相背方向?qū)⒕哂幸欢ㄙ|(zhì)量m的的擺錘舉到一定高度H1(勢能為mgH1)釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為mgH2擺錘沖斷試樣損失的勢能為mgH1- mgH2，即為變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功（Ak，單位J）沖擊吸收功Ak越高，韌性越好142、沖擊彎曲試驗標準試樣夏比U形缺口試樣夏比V形缺口試樣測得的沖擊吸收功為AKU測得的沖擊吸

5、收功為AKV15夏比U形缺口試樣尺寸擺錘、刀刃、支座尺寸101055mm16夏比V形缺口試樣尺寸擺錘種類5、10、15、30kg鑄鐵（球鐵、白口鐵）或工具鋼等脆性材料的沖擊吸收功，常用無缺口試樣，尺寸為551010mm沖擊吸收功AK并不能真正反映材料的韌脆程度缺口試樣沖擊吸收的功試樣變形和破裂所需功試樣擲出、機身振動、空氣阻力、設(shè)備內(nèi)摩擦所消耗的功沖擊吸收功忽略不計當擺錘軸線與缺口中心線不一致時，額外消耗功較大17同一材料在不同沖擊試驗機上測得的沖擊吸收功不同（相差10% -30% ）同一試驗機測得的沖擊吸收功不同不存在換算關(guān)系不能對比對比時，必須注意沖擊彎曲試驗的條件半定量的試驗方法18缺口

6、形狀和尺寸不同的試樣有缺口和無缺口試樣非標準和標準試樣193、沖擊彎曲試驗用途優(yōu)點：簡單易行對材料內(nèi)部組織變化十分敏感用途：控制原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量；通過測AK和對沖擊斷口分析，揭示原材料中的夾渣、氣泡、嚴重分層及偏析等冶金缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆等熱加工或熱處理缺陷對s大致相同的材料，評定缺口敏感性。評定低溫脆性傾向。通過系列低溫沖擊試驗可得AK值與溫度的關(guān)系曲線測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度203.3 低溫脆性1912年4月10日“泰坦尼克”號從英國開始它的第一次航行(目的地美國紐約)，4月14日晚11點40分，泰坦尼克號在北大西洋撞上冰山，兩小時四十分鐘后，4月15日凌晨2點20分

7、沉沒，由于只有20艘救生艇，1523人葬身海底。美國紐約時報2008年4月15日刊登一篇署名文章，披露了導致這起世紀海難的主要原因：劣質(zhì)鉚釘(含有大量礦渣而形成小洞)低溫脆斷所致Titanic21一、低溫脆性現(xiàn)象低溫脆性：當試驗溫度低于某一溫度時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)沖擊吸收功AK明顯下降斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇蛿嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀。轉(zhuǎn)變溫度tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，也稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度對壓力容器、橋梁、汽車、船舶及低溫下服役的機件的影響較大。BCC、HCP結(jié)構(gòu)的某些金屬及其合金，常顯示低溫脆性現(xiàn)象FCC金屬及其合金，一般不顯示低溫脆性。22低溫脆性本質(zhì)：材料屈服強度隨溫度降低急

8、劇增加。斷裂強度c隨溫度變化很小屈服強度s卻對溫度變化十分敏感，溫度降低，屈服強度急劇升高兩曲線交點對應的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk。t tk時， cs先屈服再斷裂，韌性斷裂t tk時， 外應力先達到c，脆性斷裂度點tk沖擊吸收功AK急劇減小的溫度斷口形貌顯著變化的溫度23二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk是金屬材料的韌性指標，反映了溫度對韌脆性的影響，也是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一。韌性是金屬材料塑性變形和斷裂全過程吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，因而在特定條件下，能量、強度和塑性都可用來表示韌性。屈服強度s急劇升高的溫度斷后伸長率或斷面收縮率急劇減小的溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫24韌脆轉(zhuǎn)變溫度

9、點tk測定方法：試樣：缺口試樣試驗：低溫下進行系列沖擊彎曲試驗測得AkT關(guān)系曲線或測定斷口形貌各區(qū)面積T關(guān)系曲線251.按能量法定義tk的方法(1)當?shù)陀谀骋粶囟龋饘俨牧衔盏臎_擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺，該能量為“低階能”以低階能開始上升的溫度定義為tk,并記為NDT，稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。(2)高于某一溫度，材料吸收的能量也基本不變，出現(xiàn)一個上平臺，稱為“高階能”。以高階能對應的溫度為tk ，記為FTP(最保守定義)。(3)以低階能和高階能平均值對應的溫度定義為tk ，并記為FTE。262. 按斷口形貌定義tk 的方法斷口形貌反映斷裂結(jié)果，可用來表示韌性，測出不同溫度下的

10、斷口形貌即可求得tk評定各區(qū)面積受人為因素影響要求測試人員有豐富的經(jīng)驗27100%結(jié)晶區(qū)100%纖維狀試驗證明：在不同的試驗溫度下，纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇三者之間的相對面積是不同的溫度纖維區(qū)面積突然減少，結(jié)晶區(qū)面積突然增大，表示材料由韌變脆通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度為tk ，記為50%FATT（或FATT50、 t50 ），即50%解理+50%韌性斷裂2829tk因選用標準不同而異，使用tk時，一定要注意定義tk的標準韌脆轉(zhuǎn)變溫度的意義tk和 、 、AK、NSR等一樣，也是安全性指標,可用于抗脆斷設(shè)計，保證機件服役安全。對于低溫下服役的機件，依據(jù)材料的tk值可估計它們的最低使

11、用溫度最低使用溫度必須高于tk ，兩者愈大愈安全， t0 tk， 為韌性溫度儲備， t0為材料使用溫度。值一般取4060受沖擊載荷作用的重要機件， 取60不受沖擊載荷作用的非重要機件， 取20中間者取40 30三、落錘試驗和斷裂分析圖普通的沖擊彎曲試樣尺寸過小，不能反映實際構(gòu)件中的應力狀態(tài)，而且結(jié)果分散性大，不能滿足一些特殊要求。50年代初，美國海軍研究所派林尼(W.S.Pellini)等人提出了落錘試驗方法，用于測定全厚鋼板的NDT，試樣厚度與實際使用板厚相同典型試樣尺寸2590350mm1950125mm1650125mm試樣較大，需要較大沖擊能量，一般擺錘式?jīng)_擊試驗機已不能滿足，必須用落

12、錘擊斷1、落錘試驗落錘試驗機由垂直導軌(支承重錘)、能自由落下的重錘和砧座等組成新三思ZCJ2304型落錘撕裂試驗機ZCJ2000系列NDT落錘式?jīng)_擊試驗機31DHR-0404型落錘試驗機錘頭是一個半徑為25mm的鋼制圓柱，硬度50HRC重錘可升到不同高度，以獲得340J1650J的能量試樣一面堆焊一層脆性合金，焊塊中間用薄片砂輪或手鋸開一個缺口落錘具有能量支承塊的跨距撓度終止塊厚度根據(jù)材料的屈服強度和板厚來選擇評定標準（三種）用破壞率為50%時的落下高度來表示試樣的抗沖擊能力；固定重錘高度而改變錘質(zhì)量來進行試驗，用相應重錘質(zhì)量來表示結(jié)果；兩者都改變而用下落重錘的能量來表示結(jié)果。32不裂部分形

13、成裂紋，但未發(fā)展到邊緣裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊試樣斷裂隨溫度下降，受拉側(cè)表面部分力學行為發(fā)生如下變化 溫度下降一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊但不斷裂的最低溫度為NDT3356MPa，該應力為脆性破壞的最低應力ABC線為斷裂終止線(CAT),表示不同應力水平線下脆性2、斷裂分析圖通過落錘試驗求得的NDT可以建立斷裂分析圖（FAD）斷裂分析圖：表示許用應力、缺陷(裂紋)和溫度之間關(guān)系的綜合圖明確提供了低強度鋼構(gòu)件在溫度、應力和缺陷聯(lián)合作用下脆性斷裂開始和終止的條件不同尺寸裂紋的c t曲線隨裂紋長度增加，c下降當裂紋很長時，c僅為35裂紋擴展的終止溫度t/3425600不同尺寸裂紋的c t

14、曲線t/25600ABC曲線以右，脆性裂紋均不擴展在s以上，AC線與BC線之間區(qū)域內(nèi)，斷裂前先產(chǎn)生塑性變形NDT以上， ABC線以左、 s以下的區(qū)域，根據(jù)不同尺寸裂紋及應力水平的組合，裂紋可能快速擴展而脆性斷裂，也可能不發(fā)生脆性擴展溫度一定時，裂紋長度c相同應力下，小尺寸裂紋不擴展，大裂紋擴展FTENDT+33 ，F(xiàn)TP NDT+67 因此，測出NDT，便可估算FTE、FTP，從而能建立斷裂分析圖35363.4 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素一、晶體結(jié)構(gòu)BCC金屬及其合金存在低溫脆性普通中、低強度鋼的基體是BCC的鐵素體，都有明顯低溫脆性。二、化學成分間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，偏聚于位錯線附近

15、，阻礙位錯運動，致s升高，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度tK提高。置換溶質(zhì)元素也使tK提高，但Ni和一定量的Mn例外。雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb 使韌性低碳馬氏體鋼dt Kdpt K37三、顯微組織1. 晶粒大小細化晶粒使材料韌性增加。原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數(shù)減少，應力集中；晶界總面積，晶界上雜質(zhì)濃度避免產(chǎn)生沿晶脆斷。382. 金相組織在較低強度水平時(如經(jīng)高溫回火)，強度相等而組織不同的鋼，其Ak和tk以馬氏體高溫回火(回火索氏體)最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。在較高強度水平時，如中、高碳鋼在較低等溫溫度下獲得下貝氏體組織，則其Ak和tk優(yōu)于同強度的淬火并回火組

16、織。在低碳合金鋼中，經(jīng)不完全等溫處理獲得貝氏體(低溫上貝氏體或下貝氏體)和馬氏體混合組織，其韌性比單一馬氏體或單一貝氏體組織好。馬氏體鋼中若含有穩(wěn)定的殘留奧氏體，可顯著改善鋼的韌性。鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點對鋼的脆性有重要影響，影響的程度與第二相質(zhì)點的大小、形狀、分布、第二相性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等性質(zhì)有關(guān)。39第三章 金屬在沖擊載荷下的力學性能本章小結(jié)沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力常用標準試樣的沖擊吸收功Ak表示。韌脆影響因素：應力狀態(tài)的影響形變速率的影響溫度的影響缺口試樣沖擊彎曲試驗夏比U形缺口試樣AKU夏比V形缺口試樣 AKV無缺口試樣(鑄鐵等) AK設(shè)

17、備：擺錘式?jīng)_擊試驗機40低溫脆性：當試驗溫度低于某一溫度tk時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)沖擊吸收功明顯下降斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫頂嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀。轉(zhuǎn)變溫度tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，也稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度低溫脆性本質(zhì)：材料屈服強度隨溫度降低急劇增加斷裂強度和屈服強度隨溫度變化曲線的交點對應的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk。高階能對應的溫度低階能和高階能平均值結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度FTPFTE50%FATT或FATT50t50按能量法定義按斷口形貌定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk定義符號對應低階能開始上升的溫度NDT100%結(jié)晶區(qū)100%纖維狀 t0 tk， 為韌性溫度儲備， t0為材料使用溫度值一般取40604142通過落錘試驗求得的NDT可以建立斷裂分析圖（FAD）ABC線為斷裂終止線(CAT),不同尺寸裂紋的c t曲線t/25600表示不同應力水平線下脆性裂紋擴展的終止溫度ABC線以右,脆性裂紋均不擴展在s以上，AC線與BC線之間區(qū)域內(nèi)，斷裂前先產(chǎn)生塑性變形NDT以上， ABC