第03金属在冲击载荷下的力学性能-材料力学性能.

1第三章金属在冲击载荷下的力学性能前面我们讲述的是材料在常温、静载下的力学性能。工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。冲击载荷与静载的主要差异：加载速率不同，加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。2因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。3缺口冲击载荷降低温度钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的断裂功极低，后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。（脆断趋势）4§3-1冲击载荷下金属变形和断裂的特点◆冲击载荷下，整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。◆由于冲击过程持续时间短，测量不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。51、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。因弹性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。62、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行，原因为：⑴冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。⑵冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。7静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高，如图所示。3、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。84、随应变率增加，塑性、韧性与断裂方式有关。如果在一定加载条件及温度下：材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。9§3-2冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。二、冲击试样如图所示1、冲击弯曲试验试样的种类：夏比v型缺口冲击试样（我国以前称夏氏试样）夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）缺口试样102、冲击试样开缺口的目的使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，Ak值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互换算和直接比较。11三、冲击弯曲试验原理1、冲击试验的分类：按其服役工况有：图简支梁下的冲击弯曲试验（夏比冲击试验）悬臂梁下的冲击弯曲试验（艾氏冲击试验）GB/T4158－1984冲击拉伸试验冲击扭转试验按试验温度可分为高温、低温和常温冲击试验，按试样的缺口类型可分为V型和U型两种冲击试验。现行国家标准GB/T229－2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》将以上所涉及的试验方法统一合并在一个标准内，更加便于执行。122、冲击弯曲试验：GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》规定，如图所示。冲击吸收能量K（1994年标准为冲击吸收功Ak）：K＝GH1-GH2=G(H1-H2)＝mg(H1-H2)对采用u型缺口和v型缺口的试样，其冲击吸收功分别用Aku和Akv来表示。试验前需对试验机进行校核。旧标准使用ak（冲击韧性）作为性能指标。(J/cm2)NkkFAa13新标准冲击吸收能量K的表示方法：为了表示不同类型冲击试样的试验结果，两种类型试样在两种摆锤刀刃下的吸收能量用如下符号表示，以示区别：V型缺口试样在2mm摆锤刀刃下的冲击吸收能量，表示为KV2；V型缺口试样在8mm摆锤刀刃下的冲击吸收能量，表示为KV8；U型缺口试样在2mm摆锤刀刃下的冲击吸收能量，表示为KU2；U型缺口试样在8mm摆锤刀刃下的冲击吸收能量，表示为KU8。14四、冲击值的意义和讨论1、ak值没有明确的物理意义其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用单位面积吸收的能量ak来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够明确。152、Ak或K值相同的材料，其韧性不一定相同因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小。（如图示意）163、冲击吸收能量K（冲击吸收功AK）并非完全用于试样变形和破断。冲击试验时，摆锤所消耗的总功Ak一部分用于试样的变形和破断。另一部分消耗于试样的掷出、机身振动、克服空气阻力以及轴承和测量机构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略不计的。当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大，所以不同试验机和不同人员操作的Ak值相差10％～30％。17五、冲击试验的应用尽管用ak、Ak或K作为一个力学性能指标来表示冲击韧性存在着各种不足之处，但其值的大小对材料的组织十分敏感，能敏感地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。同时，在生产上的长期应用，已经积累了大量有价值的资料和数据。常用来检验冶金、热加工质量。现在还广泛应用在以下几个方面：181、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量（如图所示）检验冶金缺陷：夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级。检验锻造和热处理缺陷：过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等。2、根据系列冲击试验，可测得Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度、蓝脆、重结晶脆性。193、作为材料承受大能量冲击破坏时的抗力指标。如对装甲板之类的结构件，冲击功就是一个重要抗力指标。但对承受小能量多次冲击（成千上万次）的结构件，用冲击功作为抗力指标并不合适。20§3-3低温脆性一、低温脆性现象1、定义：体心立方金属及合金或某些密排六方金属及其合金，随试验温度的下降而降低，在试验温度低于某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型断裂变为穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状。这种现象称为低温脆性，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。212、原因⑴低于某一温度（韧脆转变温度tk）时，塑性断裂强度高于正断强度（如图所示）。塑性断裂强度在塑性变形过程中随形变强化和应力状态的变化而变化。⑵体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服有关。22二、韧脆转变温度目前，常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度tk。1、能量准则法：冲击功随温度的变化而变化，变化趋势如图所示。能量法定义tk的方法有以下三种：⑴以低阶能开始上升的温度定义为tk，记为NDT（NilDuctilityTemperature）称为无塑性或零塑性转变温度。23⑵以高阶能对应的温度定义为tk，记为FTP(FractureTransitionPlastic)，较为保守的方法。⑶以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为tk，记为FTE(FractureTransitionElastic)。新标准规定：冲击吸收能量达到某一特定值时，例如KV8＝27J；冲击吸收能量达到上平台某一百分数，例如50％；剪切断面率达到某一百分数，例如50％；侧膨胀值达到某一个量。例如0.9mm。242、断口形貌法冲击断口形态如图所示。分成为纤维区、放射区、剪切唇三个区。形成过程…通常取结晶区面积占总面积的50％的温度作为tk，并记作FATT50，如图所示，通用v型试样。需要说明的是：tk属于韧性指标，也是安全性指标。但不能直接用于机件的设计计算；因定义tk的方法不同，同一种材料的也不同，同一种材料使用同一种方法时，可能因为外界因素（试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率等）的改变也要发生变化。25三、落锤试验和断裂分析图是一种动态试验法，见GB/T6803-1986《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》。（如图所示）测定的无塑性转变温度用NDT表示。26§3-3影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、材料方面的因素（内因）1、晶体结构和强度等级体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向明显，密排六方金属不明显（原因在于派纳力的高低）。中低强度钢一般属于体心立方金属，脆断倾向明显。高强度钢tk不明显。272、化学成分的影响间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度tk提高。置换型溶质元素对韧性影响不明显。杂质元素S、P、As、Sn、Sb等，使钢的韧性下降。3、晶粒尺寸的影响细化晶粒可提高韧性，降低tk。284、金相组织的影响⑴在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢，以S回最好，B回火组织次之，片状珠光体组织最差。⑵较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬火回火组织。⑶在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高于B下。低碳钢低温B上的韧性高于M回。这是由于低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。29⑷在低合金钢中，经不完全等温处理获得B和M混合组织，其韧性比单一M或B要好。这是由于B先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。30二、外部因素的影响促使材料脆化的因素为温度、形变速度、试样尺寸、应力状态等。1、形变速度的影响提高变形速度有类似降温的作用。但是在常用的冲击速度范围内（4～6m/s），改变变形速度对韧脆转变温度影响不大。312、试样尺寸及取样部位的影响试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比例减少，韧脆转变温度提高。原因是：尺寸越大，出现缺陷的几率增加、缺口前沿三向拉应力状态加剧、平面应变断口比例增加，使脆断抗力下降。取样部位不同，其韧性值也不同。3、应力状态及缺口形式的影响应力状态越硬，缺口越尖锐，韧性越低，韧脆转变温度越高。32知识扩充泰坦尼克号（Titanic）中的力学知识1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。多年来，出版了不少回忆录、小说，演出了不少戏剧、电影。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国《科学大众》（PopularScience）杂志发表了RGannon的文章，标题是『WhatReallySankTheTitanic』,付标题是“为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。作者出示了下图两个冲击试验结果。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。33图Titanic号钢板（左图）和近代船用