第3章-材料在冲击载荷下的力学性能.

1主讲人:张宁2一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点二、冲击弯曲和冲击韧性三、低温脆性四、影响韧脆转变温度的冶金因素第三章金属在冲击载荷下的力学性能3为了评定材料传递冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验加载速率定义：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值来表示本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点，主要讨论缺口试样冲击弯曲试验方法和金属材料的低温脆性。第三章金属在冲击载荷下的力学性能4冲击载荷下，由于载荷的能量性质使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。第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点5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。第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点6第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点7冲击韧性的定义：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak表示。第二节冲击弯曲和冲击韧性8试验在摆锤式冲击试验机上进行。试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为J。第二节冲击弯曲和冲击韧性9第二节冲击弯曲和冲击韧性对于冲击试样，我国过去和前苏联都采用梅氏试样，美国和日本等过则采用夏氏试样。现在我国国家标准则融合梅氏和夏氏两种类型为一体，分别成为夏比（Charpy）U形缺口试样和夏比V形缺口试样。用不同缺口试样测得的冲击吸收功分别记为Aku和AKV。10第二节冲击弯曲和冲击韧性测量铁球或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。11冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆程度：这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的Ak值相差10-30%。第二节冲击弯曲和冲击韧性12冲击弯曲试验的主要用途有两点：(1)控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析，可揭示原料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。(2)根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。第二节冲击弯曲和冲击韧性1313冲击韧性的应用：经验数据，参考价值举例：调质处理的45＃钢Ak＝78J/cm2，而球墨铸铁Ak＝15J/cm2。单纯从数值上看，球墨铸铁冲击韧性值远小于45＃钢。然而它们都具有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料使用。AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指标，具有“不可设计性”。只能作为经验数据使用。1414冲击断裂过程PGY之前，弹性变形PGY后，塑性变形；载荷增大到Pmax，塑性变形区逐渐扩展到整个缺口面（塑性区为图中红色虚线和缺口面之间面积）；在Pmax附近，应力最大点位于红色虚线上；因此在此处产生裂纹；随后裂纹向前和向后同时扩展；扩展机制是微孔聚集型，形成图中“脚跟形纤维状区”；此过程中材料承载面积减小，载荷逐渐下降到PF。PGYPmaxPFPD位移载荷1515载荷达到PF后，裂纹迅速以解理断裂方式快速扩展，在材料中形成“放射形结晶状区”；这时材料承载面积迅速减小，载荷也迅速降低到PD。载荷达到PD后，裂纹扩展到样品边缘，产生平面应力状态，形成剪切唇区。PGYPmaxPFPD位移载荷冲击断裂过程1616•冲击断口包含纤维区、放射区、剪切唇三个区。•若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区：即：纤维区1—放射区—纤维区2—剪切唇•纤维区2（红色区域）形成原因：裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小，最终形成纤维区2。冲击断口冲击断口形貌示意图17一、低温脆性现象定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体——珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk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变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。第三节低温脆性18珠光体的定义：当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。也就是说这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失，如果出现则两者同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。基于以上原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看，命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。所以碳含量正好为0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织结构是珠光体。第三节低温脆性19低温脆性现象对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。低温脆性实质为温度下降，屈服强度急剧增加。F.C.C金属，一般不显示低温脆性。如低碳钢为体心立方金属，有低温脆性；而奥氏体钢为面心立方金属，无低温脆性。第三节低温脆性20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。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“。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。Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果第三节低温脆性21右图是建造中的Titanic号。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。建造中的Titanic号，可以看到船身上长长的焊缝第三节低温脆性22挑战者号失事了！爆炸后的碎片在发射东南方30km处散落了1h之久，价值12亿美元的航天飞机，顷刻化为乌有，7名机组人员全部遇难。全世界为此震惊。事故原因最终查明：起因是助推器两个部件之间的接头因为低温变脆破损（在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度应为40~90°F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于31~99°F的范围。），喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸造成的。第三节低温脆性0℃=32°F37℃=98.6°F23低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。见右图，屈服点随着温度的下降而升高，但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小，两线交点对应的温度就是tk。第三节低温脆性24二、韧脆转变温度在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功—温度曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线，试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等，根据这些曲线来求得tk。第三节低温脆性251.按能量定义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变化，形成一个平台，该能量称为“低阶能”。(2)高于某一温度时，材料吸收的温度基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE（FractureTransitionElastic）。第三节低温脆性262.按断口形貌定义tk的方法冲击试样冲断后，断口形貌见下图：试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk，记为50%FATT或FATT50、t50。第三节低温脆性27韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的△值，△=t0-tk。第三节低温脆性28同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），tk也要变化，所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工况之间无直接联系，所以不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂。第三节低温脆性29三、落锤试验和断裂分析图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零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。第三节低温脆性30落锤试验机示意图落锤试验机由垂直导轨（支持重锤）、能自由下落的重锤和砧座等组成，见右图。重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度，以获得340-1650J的能量。砧座上除了两端的支承块外，中心部分还有一个挠度终止块，以限制试样产生过大的塑性变形。第三节低温脆性31落锤试验机实物图TLC-300落锤冲击试验机适用于热塑性塑料管材、管件和硬质塑料板材的耐冲击试验。最大冲击能量300J最大冲击高度2m标尺误差±１％落锤组合质量最大组合质量15KG±0.1%冲头规格：AR=10mmBR=20mCR=5mmBBR=30mm冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm电动提升机构最大提升力20kgf牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf管材V型托板200×300×25mm3试样尺寸直径20-400mmTLC-300落锤冲击试验机第三节低温脆性32试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：没有出现裂纹→拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→试样断成两部分。第三节低温脆性33零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分，例如：(1)NDT设计标准(2)NDT+33℃设计标准(3)NDT+67℃设计标准第三节低温脆性34落锤试验的缺点：(1)不能定量评定脆性断裂(2)未考虑板厚的影响第三节低温脆性35一、晶体结构二、化学成分三、显微组织第四节影响韧脆转变温度的冶金因素36一、晶体结构体心立方金属及其合金存在低温脆性。低碳钢冷脆明显，高碳钢冷脆不明显。第四节影响韧脆转变温度的冶金因素37二、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，导致屈服强度的升高，钢的韧脆转变温度升高。第四节影响韧脆转变温度的冶金因素38三、显微组织（一）晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加第四节影响韧脆转变温度的冶金因素39细化晶粒提高韧性的原因：(1