材料力学性能第三章

第三章金属在冲击载荷下的力学性能李华冠（材料工程学院）邮箱：[e-mail]电话：159519260960.前言许多机器零件在服役时都会受到冲击载荷作用鸟撞冲击测试装置鸟撞冲击后的FMLs试样问题：冲击载荷和静载荷的主要区别？？加载速率不同概念：形变速率-单位时间内的变形量绝对形变速率/相对形变速率（应变速率）冲击：以很大的速度将负荷作用到机器零件上去的一种加载方式。.dedet=应变速率：.52110~10Se---=静拉伸：.24110~10Se-=冲击载荷：.42110~10Se---=静载荷：（力学性能无明显变化）冲击载荷：.2110Se--（力学性能显著变化）•一、冲击失效的特点•(1)包括弹性变形，塑性变形，断裂；•(2)吸收的冲击能测不准；时间短；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)变形速度对金属材料的弹性行为及弹性模量无影响；弹性变形的速度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(4)冲击载荷下，变形抗力提高；(5)塑性变形的不均匀增加，尤其是多晶体金属—塑性变形往往集中在某些晶带内。原因：冲击瞬间位错运动的应力↑↑→许多位错源同时开动→位错密度↑→派纳力↑→滑移的临界切应力↑，满足条件的晶粒少。（6）塑性和应变速率间无单值依存关系某些金属可能显示较高的塑性：秘排六方金属的爆炸成形•希望测得冲击载荷下的变形抗力、变形能力，即动屈服点、动伸长率等——难•将冲击载荷作为能量载荷处理——测定材料承受冲击能量的能力。•冲击韧性指的是材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。常用标准试样的冲击吸收功Ak来表示。§3.2冲击弯曲和冲击韧性•二、冲击吸收功和冲击韧度•1、冲击吸收功Ak•为冲断试样过程中所消耗的功。•2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)akF：试样缺口(折断处)的原始截面积。kkAFa=•一、冲击弯曲试验(冲击韧性试验)•韧性材料，开缺口：夏比U型缺口和V型缺口。•脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具钢等。•标准试样尺寸：10mm×10mm×55mm。(1)通常将Ak、ak作为衡量材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，Ak、ak值越大，材料的韧性越好。•(2)无论Ak还是ak均不能完全真正反映材料的韧脆程度。•Ak＝试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动功＋……•＝弹性变形功Ae+塑性变形功Ap+断裂功Ad。对韧性有贡献。(3)ak物理意义不明确除了与材料本性有关外，很大程度上取决于参加塑性变形的体积而不仅仅是缺口(折断处)的原始截面积；另外，对于有缺口试样，由于缺口截面上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak是一个纯数学量。直接用Ak更有意义。(4)Ak、ak不能真实反映一般零件承受上千万次冲击载荷的能力只有承受大能量冲击的零件，如炮弹，装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大部分零件的工作状态还承受小能量多次重复冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。三、冲击弯曲试验用途1、能反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量—ak对材料品质、宏观缺陷、显微组织敏感；2、根据冲击试验得到Ak(ak)－T曲线，测定材料的韧脆转变温度，从而可以评定材料的低温脆性倾向；3、对σs大致相同的材料，根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。一、低温脆性(冷脆)现象1、低温脆性及韧脆转变温度金属或合金，当温度低于某一温度tk时，Ak明显↓，转变为脆性状态，该现象称为低温脆性(冷脆)。——多为bcc、hcp结构。韧脆转变温度tk：冲击韧性显著下降的温度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。§3.3低温脆性LNG船：LNG船是在零下163摄氏度(-163℃)低温下运输液化气的专用船舶，是一种“海上超级冷冻车”，被喻为世界造船业“皇冠上的明珠”。9%Ni钢是LNG(液化天然气)储罐专用钢，中磷含量不能超过0.003%.在-196℃超低温下,该钢种的低温韧性和屈服强度优于奥氏体不锈钢,而且钢的冷加工性,焊接性,抗裂纹扩展性能好,是制造LNG储罐的理想材料。2、低温脆性(冷脆)的物理本质材料的屈服强度随温度降低急剧增加，而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小，两者相交于tk。图3-1屈服强度和解理断裂强度随温度的变化当ttk时，σcσs，随外力↑，先屈服，后断裂→韧性断裂。当ttk时，σcσs，外加应力先达到σc，(屈服的同时发生断裂)为脆性断裂。可见：凡是使σc↑的因素，都使tk↓——有利。凡是使σs↑的因素，都使tk↑——不利。二、韧脆转变温度的确定由于韧性是强度、塑性的综合表现，故可用断裂消耗的功、断裂后塑性变形的大小、断口形貌等确定tk。1、按能量定义tk(1)以低阶能定义tk，NDT(nilductilitytemperature)——无塑性或零塑性转变温度。低于NDT，断口由100%结晶区组成。图3-2各种韧脆转变温度判据(2)以高阶能定义tk，FTP(fracturetransitionplastic)高于FTP，断口由100%纤维区组成。(3)以低阶能和高阶能平均值来定义tk：FTE(fracturetransitionelastic)2、按断口形貌定义tk的方法冲击试样断口一般也存在三个区：纤维区、放射区、剪切唇。图3-3冲击断口形貌示意图通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk。并记为50%FATT(fractureappearancetransitiontemperature)或FATT50、t50。优点：反应了裂纹扩展变化的特征，与断裂韧度KIC急剧变化的温度较好对应。缺点：测量受人为影响较大。3、韧脆转变温度的意义(1)tk也是材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性的影响。(2)tk与δ、ψ、Ak(ak)、NSR一样，也是安全性指标，从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。(3)对于低温下服役的机件，依据tk可以直接或间接地估计它们的最低使用温度。(4)机件的最低使用温度必须高于tk，两者之差越大越安全。△＝t0-tk称为韧性温度储备。通常tk为负值，t0应高于tk，所以△为正值。一般取40－60℃。注意：(1)由于定义方法不同，同一材料所得到的tk不同；(2)同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率发生变化，tk也发生变化；(3)在一定条件下，用试样测得的tk，因和实际结构工况无直接联系，不能说明该材料构成的机件一定在该温度下脆断。一、晶体结构的影响1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般不存在低温脆性。3、普通中、低强度钢的基体为bcc的铁素体，所以均具有明显的低温脆性。§3.4影响韧脆转变温度的冶金因素bcc与fcc冷脆差异的原因(1)t↓，bcc中τP-N↑↑，σs↑↑，tk↑，所以变脆。(2)fcc中，τP-N对t不敏感，σs随温度变化小，所以一般无冷脆或冷脆温度极低。韧性是强度与塑性两者的函数，但塑性的影响大于强度。强度、塑性均↑，韧性↑：细化晶粒。强度↑、塑性↓，韧性↓：第二相强化。二、化学成分(1)间隙原子，使韧性降低，提高其韧脆转变温度。(2)钢中的置换原子，一般提高韧脆转变温度，降低韧性。但Ni和Mn例外。(3)杂质元素S、P、As、Sn、Sb使韧性，提高韧脆转变温度。•三、显微组织的影响•1、晶粒大小的影响•晶粒尺寸↓，亚晶尺寸↓，胞状结构尺寸↓，使Ak↑，ak↑，tk↓。12lnlnlnktBCdb-=--细化晶粒提高韧性的原因：(1)晶界是裂纹扩展的阻力。d↓，阻力↑，脆性↓。(2)d↓，位错塞积群长度↓，应力集中↓，不易产生解理裂纹，脆性↓。(3)d↓，晶粒中心与边缘变形的不均匀性↓，不易产生裂纹，脆性↓。(4)晶界总面积增加，杂质浓度减少，避免产生沿晶脆断。2、金相组织的影响(1)单相的Ak高于复相合金。特殊：高碳回火马氏体中分布少量残余奥氏体—冲击性能较高，韧脆转变温度低。(2)第二相越细小，均匀分布，Ak↑，韧脆转变温度低。(3)球状第二相Ak片状或网状第二相的Ak。(4)第二相与基体性能越接近，Ak↑，韧脆转变温度低。3、内部缺陷的影响内部缺陷使Ak↓。4、表面状态的影响同一材料，AkvAku光滑试样的Ak。四、强度等级的影响1、中、低强度钢冷脆转变明显。2、高强度钢没有明显的冷脆转变：其本身Ak就较低。§3.5落锤试验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，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。§3.6冲击后压缩一种承受冲击载荷后，剩余强度的评价方法。