材料力学性能-第3章.

1第三章金属在冲击载荷下的力学性能韧、脆的相对性韧脆影响因素：应力状态的影响形变速率的影响温度的影响2材料韧脆性评价方法材料的力学性能跟材料的本性有关韧性材料、脆性材料3有些机器零件在服役时会受到很大的冲击载荷的作用(形变速率大)4许多机器零件在服役时往往受不同程度冲击载荷的作用汽车行驶通过道路上的凹坑（轴承）车辆在启动、制动或改变速度时，发动机连杆、曲轴，变速器的齿轮，传动轴等零件都会受到冲击；制动越猛，冲击力越大。金属压力加工(锻造、模锻、轧制)ded&=应变速率e为真应变机器中各种机件的应变速率ε=10-6～106s-1静拉伸试验ε=10-5～10-2s-1冲击试验ε=102～104s-1ε10-2s-1可看作是静载荷ε10-2s-1冲击载荷，金属力学性能将显著变化5冲击载荷与静载荷的主要区别：加载速度不同加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率(单位时间内应力增加的数值)形变速率：单位时间内的变形量加载速率↑形变速率↑形变速率间接反映加载速率的变化绝对形变速率形变速率相对形变速率(应变速率)6应变速率↑温度↓金属材料的变脆倾向增大冲击韧性低温脆性73.1冲击载荷下变形和断裂的特点3.2冲击弯曲和冲击韧性3.3低温脆性3.4影响韧脆转变温度冶金因素主要内容8一、冲击失效的特点（1）与静载荷下相同：弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；取决于机件及与机件联接物体的刚度。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。（3）应变速率对材料的弹性行为及弹性模量无影响。∵金属中弹性变形的传播速度4982m/s（声速）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。3.1冲击载荷下金属变形和断裂的特点9位错的运动速率↑滑移临界切应力↑冲击载荷下应力水平高，多位错源同时开动。位错密度↑点缺陷浓度↑内部的塑性变形不均匀静载荷下，塑性变形较均匀分布在各晶粒中冲击载荷下，塑性变形比较集中在某些局部区域，塑性变形是极不均匀的屈服强度、抗拉强度提高屈服强度提高得较多。（4）应变速率对塑性变形、断裂及有关力学性能有显著影响。103.2冲击弯曲和冲击韧性为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收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表示。11摆锤式冲击试验机12摆锤摆杆试样支座131、缺口试样冲击弯曲试验原理试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向将具有一定质量m的的摆锤举到一定高度H1(势能为mgH1)释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2摆锤冲断试样损失的势能为mgH1-mgH2，即为变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功（Ak，单位J）冲击吸收功Ak越高，韧性越好142、冲击弯曲试验标准试样夏比U形缺口试样夏比V形缺口试样测得的冲击吸收功为AKU测得的冲击吸收功为AKV15夏比U形缺口试样尺寸摆锤、刀刃、支座尺寸10×10×55mm16夏比V形缺口试样尺寸摆锤种类5、10、15、30kg铸铁（球铁、白口铁）或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常用无缺口试样，尺寸为55×10×10mm冲击吸收功AK并不能真正反映材料的韧脆程度缺口试样冲击吸收的功试样变形和破裂所需功试样掷出、机身振动、空气阻力、设备内摩擦所消耗的功≈冲击吸收功忽略不计当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，额外消耗功较大17同一材料在不同冲击试验机上测得的冲击吸收功不同（相差10%-30%）同一试验机测得的冲击吸收功不同不存在换算关系不能对比对比时，必须注意冲击弯曲试验的条件半定量的试验方法18缺口形状和尺寸不同的试样有缺口和无缺口试样非标准和标准试样193、冲击弯曲试验用途优点：简单易行对材料内部组织变化十分敏感用途：控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量；通过测AK和对冲击断口分析，揭示原材料中的夹渣、气泡、严重分层及偏析等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆等热加工或热处理缺陷对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。评定低温脆性倾向。通过系列低温冲击试验可得AK值与温度的关系曲线测定韧脆转变温度203.3低温脆性1912年4月10日“泰坦尼克”号从英国开始它的第一次航行(目的地美国纽约)，4月14日晚11点40分，泰坦尼克号在北大西洋撞上冰山，两小时四十分钟后，4月15日凌晨2点20分沉没，由于只有20艘救生艇，1523人葬身海底。美国《纽约时报》2008年4月15日刊登一篇署名文章，披露了导致这起世纪海难的主要原因：劣质铆钉(含有大量矿渣而形成小洞)低温脆断所致Titanic21一、低温脆性现象低温脆性：当试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态冲击吸收功AK明显下降断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型断口特征由纤维状变为结晶状。转变温度tk称为韧脆转变温度，也称冷脆转变温度对压力容器、桥梁、汽车、船舶及低温下服役的机件的影响较大。BCC、HCP结构的某些金属及其合金，常显示低温脆性现象FCC金属及其合金，一般不显示低温脆性。22低温脆性本质：材料屈服强度随温度降低急剧增加。断裂强度σc随温度变化很小屈服强度σs却对温度变化十分敏感，温度降低，屈服强度急剧升高两曲线交点对应的温度即为韧脆转变温度tk。ttk时，σcσs先屈服再断裂，韧性断裂ttk时，外应力先达到σc，脆性断裂度点tk冲击吸收功AK急剧减小的温度断口形貌显著变化的温度23二、韧脆转变温度韧脆转变温度tk是金属材料的韧性指标，反映了温度对韧脆性的影响，也是从韧性角度选材的重要依据之一。韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度和塑性都可用来表示韧性。屈服强度σs急剧升高的温度断后伸长率δ或断面收缩率ψ急剧减小的温度韧脆转变温24韧脆转变温度点tk测定方法：试样：缺口试样试验：低温下进行系列冲击弯曲试验测得Ak～T关系曲线或测定断口形貌各区面积～T关系曲线251.按能量法定义tk的方法(1)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量为“低阶能”以低阶能开始上升的温度定义为tk,并记为NDT，称为无塑性或零塑性转变温度。(2)高于某一温度，材料吸收的能量也基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为tk，记为FTP(最保守定义)。(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为tk，并记为FTE。262.按断口形貌定义tk的方法断口形貌反映断裂结果，可用来表示韧性，测出不同温度下的断口形貌即可求得tk评定各区面积受人为因素影响要求测试人员有丰富的经验27100%结晶区100%纤维状试验证明：在不同的试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积是不同的温度↓纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，表示材料由韧变脆通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk，记为50%FATT（或FATT50、t50），即50%解理+50%韧性断裂2829tk因选用标准不同而异，使用tk时，一定要注意定义tk的标准韧脆转变温度的意义tk和δ、ψ、AK、NSR等一样，也是安全性指标,可用于抗脆断设计，保证机件服役安全。对于低温下服役的机件，依据材料的tk值可估计它们的最低使用温度最低使用温度必须高于tk，两者愈大愈安全，Δ＝t0–tk，Δ为韧性温度储备，t0为材料使用温度。Δ值一般取40～60℃受冲击载荷作用的重要机件，Δ取60℃不受冲击载荷作用的非重要机件，Δ取20℃中间者取40℃30三、落锤试验和断裂分析图普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。50年代初，美国海军研究所派林尼(W.S.Pellini)等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的NDT，试样厚度与实际使用板厚相同典型试样尺寸25×90×350mm19×50×125mm16×50×125mm试样较大，需要较大冲击能量，一般摆锤式冲击试验机已不能满足，必须用落锤击断1、落锤试验落锤试验机由垂直导轨(支承重锤)、能自由落下的重锤和砧座等组成新三思ZCJ2304型落锤撕裂试验机ZCJ2000系列NDT落锤式冲击试验机31DHR-0404型落锤试验机锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度≥50HRC重锤可升到不同高度，以获得340J～1650J的能量试样一面堆焊一层脆性合金，焊块中间用薄片砂轮或手锯开一个缺口落锤具有能量支承块的跨距挠度终止块厚度根据材料的屈服强度和板厚来选择评定标准（三种）用破坏率为50%时的落下高度来表示试样的抗冲击能力；固定重锤高度而改变锤质量来进行试验，用相应重锤质量来表示结果；两者都改变而用下落重锤的能量来表示结果。32不裂部分形成裂纹，但未发展到边缘裂纹发展到一侧边或两侧边试样断裂随温度下降，受拉侧表面部分力学行为发生如下变化←温度下降一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边但不断裂的最低温度为NDT3356MPa，该应力为脆性破坏的最低应力A’BC线为断裂终止线(CAT),表示不同应力水平线下脆性2、断裂分析图通过落锤试验求得的NDT可以建立断裂分析图（FAD）断裂分析图：表示许用应力、缺陷(裂纹)和温度之间关系的综合图明确提供了低强度钢构件在温度、应力和缺陷联合作用下脆性断裂开始和终止的条件不同尺寸裂纹的σc–t曲线随裂纹长度增加，σc下降当裂纹很长时，σc仅为35～裂纹扩展的终止温度t/℃34＜25600不同尺寸裂纹的σc–t曲线t/℃＜25600A’BC曲线以右，脆性裂纹均不扩展在σs以上，AC线与BC线之间区域内，断裂前先产生塑性变形NDT以上，A’BC线以左、σs以下的区域，根据不同尺寸裂纹及应力水平的组合，裂纹可能快速扩展而脆性断裂，也可能不发生脆性扩展温度一定时，裂纹长度↑σc↓相同应力下，小尺寸裂纹不扩展，大裂纹扩展FTE≈NDT+33℃，FTP≈NDT+67℃因此，测出NDT，便可估算FTE、FTP，从而能建立断裂分析图35363.4影响韧脆转变温度的冶金因素一、晶体结构BCC金属及其合金存在低温脆性普通中、低强度钢的基体是BCC的铁素体，都有明显低温脆性。二、化学成分间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，致σs升高，钢的韧脆转变温度tK提高。置换溶质元素也使tK提高，但Ni和一定量的Mn例外。杂质元素S、P、As、Sn、Sb使韧性↓低碳马氏体钢d↓tK↓dp↓tK↓37三、显微组织1.晶粒大小细化晶粒使材料韧性增加。原因：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，应力集中↓；晶界总面积↑，晶界上杂质浓度↓避免产生沿晶脆断。382.金相组织在较低强度水平时(如经高温回火)，强度相等而组织不同的钢，其Ak和tk以马氏体高温回火(回火索氏体)最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则其Ak和tk优于同强度的淬火并回火组织。在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体(低温上贝氏体或下贝氏体)和马氏体混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织好。马氏体钢中若含有稳定的残留奥氏体，可显著改善钢的韧性。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与基体的结合力等性质有关。39第三章金属在冲击载荷下的力学性能本章小结冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收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表示。韧脆影响因素：应力状态的影响形变速率的影响温度的影响缺口试样冲击弯曲试验夏比U形缺口试样AKU夏比V形缺口试样AKV无缺口试样(铸铁等)AK设备：摆锤式冲击试验机40低温脆性：当试验温度低于某一温度tk时，材料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变为穿晶解理断口特征由纤维状变为结晶状。转变温度tk称为韧脆转变温度，也称冷脆转变温度低温脆性本质：材料屈服强度随温度降低急剧增加断裂强度和屈服强度随温度变化曲线