1、材料性能與測(cè)試,主講：曾凡浩(),中南大學(xué)粉末冶金研究院,課件制作：曾凡浩,2,第三章 材料的沖擊韌性和低溫脆性,3,3.1 沖擊彎曲實(shí)驗(yàn)和沖擊韌性,3.2 低溫脆性,許多機(jī)件工具模具受沖擊載荷作用，如火箭的發(fā)射、飛機(jī)的起飛降落、材料鍛沖加工、防彈材料等，本章介紹材料承受沖擊載荷的實(shí)驗(yàn)方法、特點(diǎn)及指標(biāo)。,目 錄,3.3 落錘實(shí)驗(yàn),4,沖擊載荷靜載荷的主要區(qū)別：加載速率不同。形變速率（單位時(shí)間內(nèi)的變形量）可間接地反映出加載速率的變化。 相對(duì)形變速率又稱為應(yīng)變率（單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量）。 實(shí)踐表明：應(yīng)變率在10-4 10-2S-1內(nèi)，金屬力學(xué)性能沒(méi)有明顯的變化，可按靜載荷處理。當(dāng)應(yīng)變力大于10-

2、2S-1時(shí)，金屬力學(xué)性能將發(fā)生顯著變化。為了評(píng)定金屬材料傳遞沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為，需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)。,5,圖3-1 沖擊試驗(yàn)機(jī)、試樣和原理圖,3.1 沖擊彎曲實(shí)驗(yàn)與沖擊韌性,一、沖擊彎曲實(shí)驗(yàn),1.一次沖擊彎曲試驗(yàn) 試驗(yàn)原理：擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)； 缺口試樣U型和V型； 舉至H1的位置(位能為GH1)釋放擺錘沖斷試樣擺錘至H2的位置(位能為GH2)； GH1-GH2=AK 此即為沖擊吸收功(AKU和AKV)。 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB229-84和GB2106-80。,6,圖3-2 多次沖擊曲線,2. 多次沖擊試驗(yàn) 沖擊次數(shù)小于5001000次，試樣斷裂規(guī)律和一次沖擊相

3、同； 沖擊次數(shù)大于105次時(shí)，試樣破壞具有典型的疲勞斷口特征，沖擊損傷積累結(jié)果。 AK曲線：沖擊功和沖斷次數(shù)曲線，反比關(guān)系,沖擊功,沖斷周數(shù),A,K,沖擊載荷下，塑性變形集中在某些局部區(qū)域，極不均勻。 沖擊載荷下：應(yīng)力水平較高，許多位錯(cuò)源同時(shí)啟動(dòng)，抑制易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展；增加位錯(cuò)密度，減少位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程增加點(diǎn)缺陷濃度等。導(dǎo)致強(qiáng)度提高。 塑性與韌性隨應(yīng)變率增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)。正斷：減少；剪斷：不變或提高。,3、變形斷裂特點(diǎn),7,1.一次沖擊 (1)沖擊韌度或沖擊值a KU(aKV): 用試樣缺口處截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 aKU(aKV)AKU(AKV)/FN

4、 (2)沖擊功: GH1-GH2=AK (3)工程意義: 反映出原始材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量；分析斷口判斷缺陷； 測(cè)定材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度； 對(duì)s大致相同的材料，根據(jù)AK值可以評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性。,二、沖擊韌性,8,2.多次沖擊 (1)某種沖擊能量A下的沖斷周次N； (2)要求的沖擊工作壽命N時(shí)的沖斷能量A。 (3)多沖抗力取決于塑性和強(qiáng)度： A高時(shí)，多次沖擊抗力主要取決于塑性； A低時(shí)，多沖抗力主要取決于強(qiáng)度。 不同的A要求不同的強(qiáng)度與塑性配合。 高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的塑性和沖擊韌性對(duì)提高沖擊疲勞抗力有較大作用； 而中、低強(qiáng)度鋼的塑性和沖擊韌性對(duì)提高沖擊疲勞抗力作用不

5、大。,9,沖擊載荷和靜載荷失效相同點(diǎn)： 過(guò)量彈性變形、過(guò)量塑性變形和斷裂 沖擊載荷和靜載荷失效不同點(diǎn)： 變形速率不同； 沖擊載荷主要表現(xiàn)為脆性（脆化）； 塑性變形主要集中在局部區(qū)域。 沖擊脆化主要原因-塑性變形難以充分進(jìn)行，集中在局部區(qū)域： (1)應(yīng)變速率。 應(yīng)變速率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量沒(méi)有影響， 而對(duì)塑性變形、斷裂等有顯著的影響。 (2)沖擊載荷。 使金屬產(chǎn)生附加強(qiáng)化； 增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶， 減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程的平均長(zhǎng)度，增加點(diǎn)缺陷濃度等。,三、沖擊脆化效應(yīng),10,定義：材料在某一溫度tk下由韌變脆，沖擊功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口由纖維狀變?yōu)?/p>

6、結(jié)晶狀。如體心立方金屬，某些密排金屬合金。 測(cè)量不同溫度(低、室、高溫)下沖擊韌性aK(AK)與溫度t的關(guān)系曲線(AKt)。tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆轉(zhuǎn)變溫度。是安全性指標(biāo)之一，最低使用溫度必須高于tk。 原因：溫度影響位錯(cuò) 在晶體中運(yùn)動(dòng)的磨擦阻力， 降低溫度，阻力上升。材料變脆。,3.2 低溫脆性,圖3-3 鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,11,韌脆轉(zhuǎn)化溫度tk及其評(píng)價(jià)方法 1、能量法： (1)無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT(Nilductility temp)： 低階能：低于某一溫度， 沖擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺(tái)。 低階能開(kāi)始上升的溫度為tk。 NDT以下，斷口由100結(jié)晶區(qū)(解理區(qū))組成。,

7、(2) FTP(fracure transition plastic)： 高階能：高于某溫度，吸收的能量基本不變，形成上平臺(tái)。 以高階能對(duì)應(yīng)的溫度為tk (即FTP)。高于FTP的斷裂，得到100的纖維狀斷口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度。 (4) V15TT：以AKV=20.3Nm對(duì)應(yīng)的溫度。,圖3-4 韌脆轉(zhuǎn)變溫度判據(jù),12,2、斷口形貌法： (1)斷口形貌：,(2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)： 通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積5

8、0時(shí)的溫度為tk 。,由纖維區(qū)F、放射區(qū)(結(jié)晶區(qū))R、剪切唇S組成。 和常見(jiàn)拉伸斷口的區(qū)別： t不同，相對(duì)面積不同。 (面積t曲線),圖3-5 拉伸斷口和沖擊 斷口的形貌示意圖,13,在10時(shí)，斷口為100纖維區(qū)，沖擊值很高，韌性狀態(tài)；溫度降到25時(shí)，沖擊值下降一半，斷口也出現(xiàn)將近一半的結(jié)晶區(qū)，處在韌性向脆性轉(zhuǎn)折的過(guò)渡狀態(tài)；當(dāng)溫度再降低至80時(shí)，沖擊值非常低，斷口為100的結(jié)晶區(qū)，為完全脆性狀態(tài)。,圖3-6 含錳1.39%低碳鋼板系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果 (a) 沖擊值-溫度曲線；(b) 斷口纖維區(qū)面積%-溫度曲線； (c) 載荷-撓度曲線及斷口形貌,14,韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk反映了溫度對(duì)韌脆性的影響，它

9、是安全性能指標(biāo)，是從韌性角度選材的依據(jù)之一。對(duì)于在低溫服役的材料，最低使用溫度高于tk，二者之差愈大愈安全(差2060)。,圖3-7 鐵素體(體心立方)、奧氏體(面心立方)和奧氏體鋼,15,1)晶體結(jié)構(gòu)的影響：bcc、hcp有，fcc沒(méi)有 原因：加載后屈服速度差別。前者有遲屈服現(xiàn)象 2)化學(xué)成分的影響：見(jiàn)下圖,3、影響材料低溫脆性的因素,圖3-8 合金元素對(duì)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,Ni,C,P,Si,Cr,Mn,Cu,16,3)顯微組織的影響：細(xì)化晶粒增加韌性，降低tk；例如：回火索氏體的沖擊吸收功和tk最佳，回火貝氏體次之，片狀珠光體最差；,淬火馬氏體,低溫回火馬氏體,中溫回火屈氏體,高溫回火

10、索氏體,17,1812年，在歐洲大陸上取得了一系列輝煌勝利的拿破侖兵敗俄羅斯。世人往往將其失敗歸結(jié)為戰(zhàn)線拖得太長(zhǎng)、后勤供應(yīng)不上。但加拿大著名化學(xué)家潘妮拉古德所著拿破侖的紐扣：改變歷史的16個(gè)化學(xué)故事中提到，一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)很有可能對(duì)拿破侖的失敗起了重要作用。 拿破侖部隊(duì)軍服上，采用錫制紐扣。錫是一種堅(jiān)硬的金屬,然而它有3種同素異形體白錫、脆錫和灰錫。在常溫下，我們通常所看到的錫是銀白色的白錫，白錫堅(jiān)硬且穩(wěn)定，四方晶系，密度7.31g/cm3而在低溫下(-13.2)，白錫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變成粉末狀的灰錫?；义a為金剛石形立方晶系，密度為5.75g/cm3因此低溫下白錫體積膨脹，錫上會(huì)出現(xiàn)一些粉狀小

11、點(diǎn)，然后會(huì)出現(xiàn)一些小孔，最后會(huì)分崩離析。如果溫度急劇下降到零下33 度時(shí)，晶體錫會(huì)變成粉末錫。由于衣服上沒(méi)有了紐扣，數(shù)十萬(wàn)大軍在冰天雪地中敞開(kāi)著衣服，許多人被活活凍死，還有一些人得病而死。潘尼道：“毫無(wú)疑問(wèn)，1812 年寒冷溫度是造成拿破侖征俄大軍崩潰的主要因素，而錫在低溫度下可變的特性，也是拿破侖士兵被迫披上這些古怪衣服的原因?！?拿破侖的紐扣生活中的低溫脆性,18,發(fā)生脆變時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度可高達(dá)10003000m/s，無(wú)法加以阻止，無(wú)任何征兆。 1938 年和1940 年, 在比利時(shí)的哈塞爾特城和海倫賽貝斯城先后發(fā)生了兩次鋼橋坍塌事故。經(jīng)研究，這些事故正是材料的冷脆造成的。 1912年當(dāng)

12、年最為豪華、號(hào)稱永不沉沒(méi)Titanic首航沉沒(méi)于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic 號(hào)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。,低溫脆性的危害,19,在水線上下都由10 張30 英尺長(zhǎng)的高含硫量脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見(jiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開(kāi)時(shí)，脆性的焊縫無(wú)異于一條300英尺長(zhǎng)的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長(zhǎng)的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒(méi)。這是鋼材韌性與人身安全的一個(gè)突出例證。,20,1

13、954 年冬天，在愛(ài)爾蘭寒風(fēng)凜冽的海面上航行的英國(guó)32000噸的“世界協(xié)和號(hào)”油船，突然發(fā)生船體中部斷裂并沉沒(méi)。原因也是材料的冷脆。,船身一分為二斷裂的Schenectady號(hào)油輪,21,利用冷脆現(xiàn)象，人們發(fā)明了“低溫粉碎技術(shù)”。以低溫鋼鐵粉碎技術(shù)為例：廢鋼在投入熔爐前需要進(jìn)行粉碎，傳統(tǒng)的電弧切割法有能耗大，效率低的缺點(diǎn)。而使用低溫粉碎時(shí)，只需使粉碎溫度低于廢鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度，廢鋼就變得像玻璃那樣易碎了。為了達(dá)到此溫度，可將廢鋼浸泡在液氮中，或用低溫的氮?dú)饫鋮s。低溫粉碎技術(shù)還可以用來(lái)粉碎其他許多金屬如鋯合金，只需遵循溫度低于該金屬的韌脆轉(zhuǎn)化溫度的原則即可。 現(xiàn)在具有明顯韌脆轉(zhuǎn)化溫度的金屬往往在

14、低溫下才發(fā)生這一轉(zhuǎn)變。我們可以制造出在室溫附近發(fā)生明顯韌脆轉(zhuǎn)化的材料，借此我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的溫度改變來(lái)影響材料的脆性，以制造新型炸彈、逃生門、溫度報(bào)警控制器等裝置。,低溫脆性的利用,22,2008 年9 月25 日晚9 時(shí)10 分，中國(guó)自行研制的第三艘載人飛船神舟七號(hào)，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航天發(fā)射場(chǎng)由“長(zhǎng)征二號(hào)F”運(yùn)載火箭發(fā)射升空。“長(zhǎng)征二號(hào)F”第三級(jí)火箭采用的是液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而在1 個(gè)大氣壓下，液氧的沸點(diǎn)是-183，液氫的沸點(diǎn)是-253。液氫液氧的貯存箱就運(yùn)用了鋁合金的耐低溫特性，采用高強(qiáng)度鋁合金材料制成。,23,落錘試驗(yàn)與斷裂分析圖 普通的沖擊彎曲試樣尺寸過(guò)小，不能反映實(shí)際構(gòu)件的應(yīng)力狀

15、態(tài)，且結(jié)果分散性大，不能滿足一些特殊要求。50年代初，美海軍研究所Pellini等人提出落錘試驗(yàn)方法。,3.3 落錘實(shí)驗(yàn),試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，使軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進(jìn)行打擊。隨溫度下降，力學(xué)行為發(fā)生如下變化: 1). 不裂；2). 拉伸側(cè)表面部分形成裂紋，但末發(fā)展到邊緣；3). 拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊；4). 試樣斷成兩部分。 一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊時(shí)的最高溫度為NDT.,圖3-7 落錘實(shí)驗(yàn)示意圖,24,目前，NDT已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分，如： （1）NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 保證承載時(shí)鋼的NDT低于工作溫度，此時(shí)在高應(yīng)力區(qū)的小裂紋處不會(huì)造成脆性斷裂； （2） NDT+33設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)結(jié)構(gòu)鋼