1、材料力學性能,3 金屬在沖擊載荷下的力學性能,材料的力學性能與本身的性質(zhì)有關(guān) 韌性材料、脆性材料,韌、脆的相對性,韌脆影響因素 (1) 溫度的影響(低溫脆性) (2) 應力狀態(tài)的影響(三向拉應力狀態(tài)) (3) 變形速率的影響(沖擊脆斷),韌、脆性評價方法：材料的缺口沖擊彎曲試驗，材料的沖擊韌性,材料低溫脆性導致事故舉例,(1) “泰坦尼克”號的沉默事故 (2) Liberty ship/Victory ship美國在Wold War II建造的約1萬噸級的運輸船(weld liberty ship 2711) (3) T-2 Tankers美國在Wold War II建造的油槽船冬天突然斷裂；

2、 (4) 西伯利亞鐵路斷軌事故，美國電影日瓦格醫(yī)生(1965年諾貝爾文學獎),事故原因分析,事故原因分析：開始于二十世紀四十年代中后期至五十年代初 研究表明造成上述破壞的主要原因為： (1) 焊接缺陷造成局部應力集中(三向應力狀態(tài))，三向應力狀態(tài)使材料脆性增加； (2) 低溫工作環(huán)境，低溫脆性； 影響：tanker，pressure vessels，pipelines，bridges。,事故防止措施,構(gòu)造上一般可以采用鉚接構(gòu)造，這種構(gòu)造比焊接構(gòu)造好，例如飛機的結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)造中即使產(chǎn)生裂紋，也不至于波及整個構(gòu)件造成嚴重的破壞后果，但是，這種構(gòu)造成本高。 焊接構(gòu)造，一般采用嚴格的質(zhì)量控制措施(焊接

3、認證和資質(zhì)、焊接質(zhì)量檢測、先進的焊接工藝)。,變形速率,沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載速度(幅度和頻率)。 應變率=de/d，e為真應變； 靜拉伸試驗：=10-510-2s-1； 沖擊試驗：=102104s-1； 一般情況下：=10-410-2s-1，可按靜載荷處理。,3.1 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點,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；機件；與機件聯(lián)接物體的剛度。 通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換成機件內(nèi)的彈性能，再按能量守恒法計算。,一、沖擊失效的特點,3、應變速率對材料的彈性行為及彈性模量無影響。 彈性變形的速度4982m

4、/s(聲速)；普通擺錘沖擊試驗時絕對變形速度為55.5m/s。,二、影響沖擊性能的微觀因素,1、位錯的運動速率，滑移臨界切應力，材料的沖擊韌性。 2、同時開動的位錯源增加。 屈服強度提高得較多。 3、內(nèi)部的塑性變形不均勻。,3.2 沖擊彎曲和沖擊韌性,3.2 沖擊彎曲和沖擊韌性,一、沖擊韌性及其作用 1、材料在沖擊載荷作用下，吸收塑性變形功和斷裂功的大小。常用標準試樣的沖擊吸收功AK表示，單位為J。 2、作用 揭示冶金缺陷的影響； 對s大致相同的材料，評定缺口敏感性。 評定低溫脆性傾向。,二、沖擊試驗,沖擊實驗機,3.3 低溫脆性,一、低溫脆性現(xiàn)象 在低溫下，材料的脆性急劇增加。 對壓力容器、

5、橋梁、汽車、船舶的影響較大。 實質(zhì)為溫度下降，屈服強度急劇增加。 FCC金屬，位錯寬度比較大，一般不顯示低溫脆性。,二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度tK,1、按能量法定義tK的方法 2、按斷口形貌定義tK的方法 斷口的形貌：50%纖維；變形特征。,三、落錘試驗和斷裂分析圖,測定材料的NDT：即無塑性轉(zhuǎn)變溫度 優(yōu)點：方法比較簡單，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性高，故被廣泛采用并正標準化。 缺點：不能定量評定脆性斷裂；未考慮板厚的影響。,3.4 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素,一、晶體結(jié)構(gòu) FCC不存在低溫脆性。 BCC和某些HCP的低溫脆性嚴重。(Sn) 位錯：位錯寬度大，不顯示低溫脆性。層錯能，韌性。形成柯氏氣團，韌性。,二、化學

6、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，阻礙位錯運動，導致屈服強度的升高，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。 鋼中加入置換型溶質(zhì)元素一般也提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但Ni和一定量的Mn例外。Ni減小低溫時位錯運動的摩擦阻力，還增加層錯能，故提高低溫韌性。 雜質(zhì)元素S、P、As、Sn、Sb 等降低鋼的韌性。這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應力所致。,三、顯微組織 1、晶粒大小 細化晶?？墒共牧系捻g性增加。 細化晶粒提高韌性的原因： (1) 晶界是裂紋擴展的阻力； (2) 晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應力集中； (3) 晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避

7、免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。,2、金相組織 較低強度水平時(如高溫回火)，強度相等而組織不同的鋼，其沖擊吸收功Ak與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。 球化處理可改善鋼的韌性。,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Ak與tk優(yōu)于同強度的淬火回火組織。 在相同強度水平下，典型上貝氏體的tk優(yōu)于下貝氏體。 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，無論第二相位于晶界還是獨立于基體中，當尺寸增大時材料韌性下降，tk升高。,3、外部因素 (1) 溫度 鋼的“藍脆”(強度升高，塑性降低)525550(鋼的氧化色為藍色)。藍脆

8、是形變時效加速進行的結(jié)果。C、N原子擴散速率增加，易于在位錯附近偏聚形成柯氏氣團。這一過程所需的時間較塑性變形發(fā)展所需的時間短，因而在塑性變形過程中就產(chǎn)生了時效，使材料強度提高塑性下降。在沖擊載荷作用下，形變速率較高， C、N原子必須在較高溫度下才能獲得足夠的激活能以形成氣團，故藍脆溫度較高。,(2) 加載速率 加載速率，脆性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk。 加載速率對鋼脆性的影響和鋼的強度水平有關(guān)。中、低強度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對加載速率比較敏感，而高強度鋼、超高強度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對加載速率的敏感性較小。 (3) 試樣尺寸和形狀 當不改變?nèi)笨诔叽缍黾釉嚇訉挾然蚝穸葧r，tk(表面上的拉壓應力最大)；帶缺口和不帶缺口試樣脆性及tk不同。若試樣各部分尺寸按比例增