1、第一節(jié) 沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點 第二節(jié) 沖擊彎曲和沖擊韌性 第三節(jié) 低溫脆性 第四節(jié) 影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素,第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能,第一節(jié) 沖擊載荷下金屬變形和斷裂,一、加載速率及變形速率的概念 加載速率：載荷施加于機件時的速率，用單位時間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。 形變速率：單位時間內(nèi)的變形量（絕對形變速率和相對形變速率） 相對形變速率： 相對形變速率即應(yīng)變速率，單位時間內(nèi)應(yīng)變的變化量。 靜拉伸 10-510-2s-1 沖擊試驗 102104s-1 當(dāng) 10-2s-1 時，金屬力學(xué)性能將發(fā)生明顯變化。,二、沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點,1、沖擊載荷下，機件的失效同

2、樣表現(xiàn)為過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂。 2、沖擊載荷下，應(yīng)變速率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。 3、金屬材料在沖擊載荷下塑性變形難于充分進行，且塑性變形極不均勻，故使強度提高，且s 比b 提高得多。,4、材料塑性和應(yīng)變率之間無單值對應(yīng)關(guān)系 一般應(yīng)變速率上升，塑性下降，但在高速變形下，某些金屬可能顯示較高塑性。 5、塑性和韌性隨應(yīng)變率增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān) 材料正斷：斷裂應(yīng)力變化不大，塑性下降； 材料切斷：斷裂應(yīng)力上升，塑性不變或提高。,第二節(jié) 沖擊彎曲和沖擊韌性,一、沖擊韌性的涵義 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(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功

3、Ak表示。 二、缺口試樣沖擊試驗原理 沖擊吸收功： Ak=mgH1mgH2 注意：缺口位于沖擊 相背方向。,三、沖擊試驗試樣,沖擊試驗試樣,四、Ak值的意義的討論,為什么Ak并不能真正反映材料的韌脆程度？ 1、Ak并不能代表試樣斷裂前吸收的總能量。因為，Ak試樣變形斷裂吸收的能量+試樣擲出功+機身振動功空氣阻力+； 2、Ak相同的材料，其韌性不一定相同； 3、Ak相同的材料，其斷裂功并不一定相同。斷裂功的大小決定了斷裂類型，因而有人建議以斷裂功AP來表征韌性。,用“示波沖擊方法”測定沖擊力位移(撓度)曲線 曲線所包圍的面積，表示試樣沖斷時所吸收的總功AK；裂紋形成功A1，它主要消耗于試樣的彈性

4、變形、塑性變形以及裂紋形成；裂紋擴展功AP，它主要消耗于裂紋前沿微觀塑性變形及裂紋擴展。,沖擊實驗機,沖擊試驗的不足是其沖擊吸收功的大小并 不能真正反映材料的韌脆程度，但它對材 料組織十分敏感，且試驗簡便易行，故仍 被廣泛應(yīng)用。 1、評定原材料的冶金質(zhì)量及熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。通過測量沖擊吸收功和對沖擊試樣進行斷口分析，可揭示冶金缺陷，檢查鍛造或熱處理缺陷。 2、根據(jù)系列沖擊試驗（低溫沖擊試驗），可得Ak與溫度關(guān)系曲線，測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，據(jù)此可以評定材料的低溫脆性傾向。,五、沖擊試驗的應(yīng)用,第三節(jié) 低溫脆性,一、低溫脆性現(xiàn)象 體心立方金屬及合金、某些密排六方金屬及合金，尤其是工程上常用的中

5、、低強度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)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饫硇?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這即低溫脆性，轉(zhuǎn)變溫度tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，亦稱冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 實際上由于材料化學(xué)成分的統(tǒng)計性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度不是一個溫度，而是一個溫度區(qū)間。,左面的試樣取自海底的Titanic號，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。,泰坦尼克號鋼板和現(xiàn)代鋼板的實際沖擊結(jié)果示于下圖。在2的海水中，泰坦尼克號鋼板

6、縱、橫向試驗中吸收能僅有4焦耳。同樣溫度下，現(xiàn)代鋼板縱向試驗中吸收能為325焦耳，橫向試驗中吸收能為100焦耳。,下圖是建造中的Titanic 號。Gannon 的文章指出，在水線上下都由10 張30 英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開時，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。,二、韌脆轉(zhuǎn)變的物理本質(zhì),斷裂強度c隨溫度的變化較小，而屈服強度s對溫度十分敏感，隨溫度降低，屈服強度升高，兩者的交點tk即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 TTk ,cs 先屈服再斷裂 韌性斷裂 TTk, cs 先達到c 脆

7、性斷裂,三、系列溫度沖擊試驗,評定材料低溫脆性的最簡便的試驗方法是系列溫度沖擊試驗。該試驗采用標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣，在從高溫（通常為室溫）到低溫的一系列溫度下進行沖擊試驗，測定材料沖擊功隨溫度的變化規(guī)律，揭示材料的低溫脆性傾向。,四、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的評定,1、能量準(zhǔn)則 以低階能開始上升的溫度定義為tk，記為NDT，稱無塑性或零 塑性轉(zhuǎn)變溫度。無預(yù)先塑性變形斷裂對應(yīng)的溫度，最易確定tk 的準(zhǔn)則。在NDT以下，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。 以高階能對應(yīng)的溫度定義為tk，記為FTP。最保守的定義tk的 方法。在FTP以上，100%纖維狀斷口。 以低階能和高階能的平均值對應(yīng)的溫度定義tk，記為FTE。,韌脆轉(zhuǎn)

8、變溫度的評定,2、斷口形貌準(zhǔn)則 溫度下降，纖維區(qū)面積突然減小，結(jié)晶區(qū)面積突然增大。 FATT50沖擊試樣斷口中結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50時所對應(yīng)的溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度tk，亦可記為50FATT或t50。 評定方法按GB/T12778-91金屬夏比沖擊斷口測定方法，測量時剪切唇按纖維區(qū)處理。 斷口形貌準(zhǔn)則主要用于正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)鋼材的評定。,3、斷口變形特征準(zhǔn)則 試樣沖斷時，缺口根部收縮，試樣背面膨脹，規(guī)定用試樣背面膨脹量達0.38mm時所對應(yīng)的溫度，作為脆性轉(zhuǎn)變溫度。,五、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的意義,tk是金屬材料的韌性指標(biāo)，它反映了溫度對韌脆性的影響。 tk是安全性指標(biāo)，可用于抗脆斷設(shè)計，保證機件服

9、役安全。 tk是估計低溫服役機件最低使用溫度的依據(jù)，選用的材料應(yīng)具有一定韌性溫度儲備。 韌性溫度儲備：t0tk t0使用溫度 一般取4060，重要機件取60，非重要機件取20，中間取40。,幾種鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,tk與定義方法、外界因素等有關(guān)。按上述三種準(zhǔn)則確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度并不等效，從表中幾種鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可以看出，20J準(zhǔn)則與0.38mm準(zhǔn)則比較接近。,由此可見，脆性轉(zhuǎn)變溫度是相對的，只有按同一準(zhǔn)則確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度才有可比性。此外，在一定條件下用試樣測定的脆性轉(zhuǎn)變溫度與實際結(jié)構(gòu)或零件的脆性轉(zhuǎn)變溫度是不同的。所以對于大型結(jié)構(gòu)的脆性評定，應(yīng)發(fā)展更接近實際工況條件的試驗方法。,六、落錘試驗

10、,普通沖擊彎曲試驗試樣尺寸過小，不能反映實際構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)，而且結(jié)果分散性大，不能滿足一些特殊要求。為了克服這一困難，Pellini等人提出了落錘試驗方法。 落錘試驗法：用于測定全厚鋼板的NDT，作為評定材料 的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 試樣厚度與實際使用板厚相同，典型尺寸： 25*90*350mm 19*50*125mm 16*50*125mm,落錘試驗,試驗中隨試樣溫度下降，其力學(xué)行為發(fā)生如下變化： 不裂拉伸側(cè)表面部分形成裂紋但未發(fā)展到邊緣拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊試樣斷成兩部分 一般規(guī)定裂紋能擴展到試樣一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，其含義實際是鋼板彈性開裂的最高溫度，當(dāng)

11、TNDT時，含有大裂紋的試板不會碎裂。,落錘試驗的不足是：對脆斷不能給予定量評定，因為試驗采用動載荷，其結(jié)果能否用于靜載荷尚需研究，此外，板厚的影響亦未考慮。,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)， 它是表示許用應(yīng)力、缺陷和溫度之間關(guān)系的綜合圖，明確 提供了低強度鋼構(gòu)件在溫度、應(yīng)力和缺陷聯(lián)合作用下脆 性斷裂開始和終止的條件。 應(yīng)用：斷裂分析圖為低強度鋼構(gòu)件防止脆斷設(shè)計和選材 提供依據(jù)； 可用來分析脆性斷裂事故。 不足：未考慮加載速度和板厚的影響（25mm低強度鋼板 建立）,防斷裂設(shè)計參考判據(jù),在落錘試驗測得的NDT和大量同類試驗的基礎(chǔ)上，Pellini等提出了對低強

12、度鐵素體鋼NDT的應(yīng)用，建議了四個防斷裂設(shè)計參考判據(jù)： 1、T工作NDT，由于NDT表示小裂紋可作為裂源引起脆裂的臨界溫度。工作溫度要求在NDT以上，允許的應(yīng)力水平限制在3556 Mpa。 2、T工作NDT17，允許工作s/2，意即名義應(yīng)力低于s/2，且溫度高于NDT17時，裂紋不會擴展，該參考判據(jù)提供了s/2時的止裂溫度界限。,3、T工作NDT33，允許工作s，意即名義應(yīng)力低于s時，裂紋可在彈性區(qū)內(nèi)擴展的最高溫度為NDT33，該臨界溫度稱為彈性開裂轉(zhuǎn)變溫度(FTE)，當(dāng)TFTE時，只發(fā)生塑性撕裂。因此FTE是應(yīng)力等于s時脆性裂紋止裂溫度。 4、T工作NDT67，工作達到b發(fā)生韌性斷裂。該溫度

13、稱為塑性開裂轉(zhuǎn)變溫度(FTP)，當(dāng)TFTP時，斷裂應(yīng)力達到材料極限強度，當(dāng)TFTP時，裂紋可在塑性范圍擴展，斷裂應(yīng)力在s和b之間。,第四節(jié) 影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素,一、冶金因素 1、化學(xué)成分的影響 2、晶體結(jié)構(gòu)的影響 3、顯微組織 a.晶粒尺寸 b.金相組織 二、外界因素 1、溫度 2、加載速率 3、試樣尺寸和形狀,化學(xué)成分的影響,1）間隙溶質(zhì)元素韌性 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 2）置換型溶質(zhì)元素對韌性的影響不明顯，鋼中加入置換型溶質(zhì)元素一般也提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度。（Ni 減小，提高低溫韌性） 3）雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb等使鋼的韌性下降 以碳鋼為例：C韌脆轉(zhuǎn)變溫度；Mn韌脆轉(zhuǎn)變溫度，對船體鋼來說，關(guān)鍵要看Mn/ C比，只有當(dāng)Mn/ C3時，船體鋼才有比較滿意的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,晶體結(jié)構(gòu)的影響,體心立方金屬及其合金存在低溫韌性。 普通中、低強度鋼的基體是體心立方點陣 的鐵素體，都有明顯的低溫脆性。,晶粒尺寸的影響,細化晶粒可使材料韌性增加。鐵素體晶粒直徑與 韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系可用派奇方程描述： 其中，、B、C為常數(shù)，d為鐵素體晶粒直徑 派奇方程同樣適用于低碳鐵素體珠光體鋼，低合金高強 度鋼。 減小亞晶和胞狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高材料韌性。,金相組織的影響,1）對低強度鋼：按tk由高到低的順序：珠光體上貝氏體鐵素體下貝氏體回火馬氏體 2）對中碳合金鋼且強度