1、1,第三章 金属在冲击载荷下的力学性能,3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点3.2 冲击弯曲和冲击韧性3.3 低温脆性及韧脆转变温度3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,2,冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）应变速率 =de/d e为真应变 静拉伸试验 =10-510-2 s-1 冲击试验 =102104 s-1 一般情况下 =10-410-2 s-1，可按静载荷处理。,3,3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,一、冲击失效的特点 （1）过程与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 （2）吸收的冲击能测不准。 时间短；机件；与机件联接物体的刚度。 通常假定冲击能全部
2、转换成机件内的弹性能，再按能量 守恒法计算。 （3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。 弹性变形的速度4982m/s（声速340m/s）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度55.5m/s。,4,二、影响冲击性能的微观因素（1）位错的运动速率，滑移临界切应力，材料的冲击韧性。（2）同时开动的位错源增加。屈服强度提高得较多。 （3）内部的塑性变形不均匀。塑性变形的传播速度取决于位错的运动速度及增殖速度，在冲击载荷下，塑性变形来不及充分、均匀地进行；实验也证明：冲击载荷下塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均匀。,5,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
3、，满足条件的晶粒少。 冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高,6,缺口试样在冲击载荷下 的力学性能,增加应变速率，抗拉强度也随之增加。,7,三、冲击断口同样也为 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： 纤维区放射区纤维区剪切唇。 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。 形成纤维区。,8,3.2 冲击弯曲和冲击韧性,一、冲击韧性及其作用 1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。 单位，J/cm2 2、作用 （1）揭示冶金缺陷的影响； （2）对s大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆
4、性倾向。,9,二、冲击试验冲击实验机,10,摆锤5、10、15、30kg，试样尺寸551010mm，试样跨距45mm；无缺口，有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。 铸铁（QT、白口铁）1102020mm，跨距70mm，无缺口。,11,冲击试样：,12,试样：101055(mm)；开有2mm深的U形或V形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。U型缺口冲击试验原理：能量原则摆锤冲断试样前后所产生的能量损失AK (J) ；AK=mg(H1-H2) K = AK/F F = 810(mm2),13,冲击韧性K值的应用：, 评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷:-冲击韧性K值对
5、其非常敏感 1.夹杂（渣）、气泡、带状偏析； 2. 过热、过烧、氧化、脱碳、网状组织、粗大碳化物、白点、回火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压力加工后组织的各向异性等等； 对组织缺陷：K最为敏感；塑性指标、K敏感，强度指标b、S较为敏感；而弹性模量E对组织不敏感。,14, 评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：系列冲击试验 1. 低温系列温度冲击试验：测定评价材料的冷脆转变 成份、热处理及压力加工工艺完全相同的试样分组分别在不同的温度T下进行冲击韧性K值的测试：测试温度范围由-60(或-80)+40，测出每组的K值(平均)，作出其KT变化关系曲线，称为系列冲击曲线。 可由曲线得到冷脆转变温度FATT（
6、断口有50%脆断区或结晶断裂区）或 TK,15,2.回火系列温度冲击试验：测定评价材料的回火脆性 同一成分及状态的试样，经淬火处理后分别在一系列不同的温度T下回火，再在常温进行冲击韧性K值的测试：作出其K与回火T的变化关系曲线，称为回火系列温度冲击曲线，找到其相应的回火脆性的温度范围。,16,（2）小能量多冲击 磨球的冲击等 单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂（3）落锤试验 模拟试验，半定量测定材料的性能。,17,3.3 低温脆性及韧脆转变温度,一、低温脆性现象 在低温下，材料的脆性急剧增加。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。 实质为温度下降，屈服强度急剧增加。 FCC金属，位错宽
7、度比较大，一般不显示低温脆性。,18,冷脆转变现象：bcc或hcp的金属及其合金，当温度T低于某一温度TK时，材料将由韧性状态转变为脆性状态：其K值明显下降；断口形貌特征由纤维状(微孔聚集撕裂状)转变为结晶状(或解理断口)。该现象称为冷脆转变或低温脆性，TK为冷(韧)脆转变温度。 对一些可能在低温下使用的机件，其用材必须考虑冷脆转变的影响，如船舶、桥梁、压力容器、汽车、航空航天、坦克、工程机械等。 东北动车,19,冷脆转变的物理本质: S和c与温度T的关系曲线 S和c均随着T的降低而增加，但S受T影响变化更大一些，故二者将会有一个交叉点k：其温度T记为 TK -冷脆转变温度 当TTK时，出现S
8、c的现象，即材料没有先屈服变形就直接发生了断裂，即为脆性断裂，出现冷脆现象。 因T的降低，位错受“柯氏气团”的影响而更不易开动，使S增加，不能松驰应力而导致的应力的集中，促进材料的脆断倾向； 因T的降低，将导致派纳力（位错运动的晶格阻力）的上升，使位错更不易开动，同样使S增加。 而fcc金属不出现冷脆是因为其派纳力很低。,20,S和c与温度T的关系曲线 （高速加载时的屈服强度S）TK -冷脆转变温度,二、冷脆转变温度,韧,21,22,1. 能量准则： V15TT： 对夏氏V型缺口试样： AK=15英尺*磅=20.3J(N*m) 时的温度为TK 记为： V15TT 或:K= 0.4KMAX时的温
9、度为TK,23,2. 高、低能阶准则： 以低、高能阶所对应的温度定义为TK， 分别记为：NDT和FTP； 以低高阶能的平均值所对应的温度定义为TK， 记为：FTE；,24,3. 断口形貌准则： 对夏氏V型缺口试样，以纤维区与结晶区（或放射区）的相对面积各为50%时所对应的温度定义为TK，记为：50%FATT或FATT50 注：50%FATT与KIC (断裂韧性)开始大幅上升所对应的温度T有较好的对应关系。 以能量或断口组织来取TK 。两者之间有联系。,25,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,26,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢
10、板（右图）的冲击试验结果,27,冲击断口分析,28,材料：2Cr13 工艺情况：调质态，冲击试验 组织说明：冲击断口与拉伸断口相似，也出现三个区，纤维区位于V型缺口一侧；放射区与纤维区相连，放射源一般位于纤维区的中部位置。剪切唇则位于试样无缺口的其余三面。图中为具有三个区的典型冲击断口形貌。若材料塑性足够好，则放射区消失。,29,3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,一、材料本质因素：1. 金属的晶体结构：金属的晶体结构越复杂，对称性越差，其位错运动的派纳阻力(P-N)就越高，运动就越困难；而P-N随T的降低而大幅上升，故这类材料的冷脆倾向明显； fcc金属及其合金(Cu、Al、奥氏体不锈
11、钢等)的P-N很小，即使在很低的温度下也无冷脆现象发生； bcc、hcp金属及其合金，工程中常用的中、低强度的结构钢，均有明显的冷脆现象。,30,2强度： 中、低强度钢的冷脆转变现象明显； 高强度钢由于其本身强度很高，塑性差，S与b已很接近，其位错移动极为困难，常规工作温度下温度对其塑、韧性影响已经不大，或可以认为其本身就是在冷脆状态下使用；此时因温度T下降而引起的位错运动阻力增加的作用已经很不明显了，故高强度钢的冷脆转变现象反而不明显。,31,32,3合金元素及杂质： 置换方式固溶的元素一般均降低K值，使TK上升，并使冷脆转变区温度范围扩大(坡度变缓)，但Ni及少量的Mn例外； 间隙方式固溶
12、的元素均显著降低钢的韧性并强烈地提高其TK； 杂质原子因在位错、晶界处的偏聚，阻碍位错运动，或形成第二相质点成为裂纹源，且偏聚程度随T降低而增加，表现为冷脆； 磷(P)是影响最大的杂质元素之一：P、S、As、Sn、Sb,33,4. 晶粒尺寸： 细化晶粒使韧性上升，并使TK下降； 细化晶粒： 增加晶界对裂纹扩展的阻碍作用； 大量增加晶界面积，单位界面积所聚集杂质元素浓度降低； 使位错可运动距离降低，位错塞积数目下降且在各晶粒内开动数量分布均匀，变形量的分布也较均匀； 使软、硬取向的晶粒的分布较均匀，使开动位错均匀分布，变形均匀分布，减少了应力集中。,34,二、外部因素 1、温度 钢的“蓝脆”20
13、0300（钢的氧化色为蓝色）。 C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。2、加载速率 加载速率，脆性，韧脆转变温度tk ;3、试样尺寸和形状 试样增厚，tk（表面上的拉压应力最大）; 带缺口脆性增加，tk 。,35,尺寸效应：尺寸的增加，将会使得构件的力学性能下降。 原因：尺寸的增加 将使得缺陷出现的机率增加； 使应力集中程度增加； 使构件易于出现平面应变状态，使其应力状态变硬(约束作用加大)。 回想一下前面讲过的薄板和厚板的应力状态。 热处理时大件更易出现淬火裂纹。,36,低温脆性,应力状态、缺口和尺寸对tk的影响：应力为冲击载荷，且加载速率越大； 有缺口，且缺口越尖锐； 试样尺寸越大。,tk
14、越大，冷脆现象越明显。,37,思考题,1、是不是所有材料都有冷脆现象。 2、韧性好的材料ak值大，Tk值低。 3、细化晶粒使韧性上升，并使TK下降 4、为什么细化晶粒可以提高韧性 5、热处理时大件更易出现淬火裂纹 6、光滑试样和有缺口试样拉伸断口的区别 7、应变速率的单位 8、冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高,38,9、图示冲击断口，指出各区域的名称,39,10、应力为冲击载荷，且加载速率越大； 有缺口，且缺口越尖锐； 试样尺寸越大。 冷脆现象越明显,40,11、试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 因为焊接船连接靠电焊，焊口脆性大，比如一般用的工具，断裂一般就是焊口那，一个道理，
15、根本原因还是焊接的时候钢铁内部发生了组织变化。铆接的就不一样了，也就是靠铆钉、螺栓来连接，它们的抗拉能力是很强的，而且有缓冲，中间有间隙。,41,所谓的铆接就是将铆钉将两种工件打孔连接的方法；而焊接就是使两种板材的接触面达到熔融状态从而连接的方法。铆接是运用拉力膨胀原理而来的，能够紧密铆接物体，采用物理方法。焊接是一种化学原理。 铆接是一种古老的连接方法，早在千年前就有应用，早期舰船、坦克等等都采用了铆接原理，目前在许多行业仍然具有不可或缺的地位。 焊接的强度比铆接更大，焊道更易处理平整光滑，而且可以将“焊枪导轨”或“焊件运动轨迹”自动化处理，只要针对材质、厚度调整好电流，就 能实现“自动焊”
16、，而铆接很难做到这一点。所以随着技术进步，焊接逐渐代替了铆接技术。,42,但是，对于“薄”“板”连接，尤其是“不同种材质”薄板连接而言，焊接还有力所不能及之处：1.焊缝边缘容易变形，“起皱”；2.焊缝容易引起应力集中；3.焊缝处相当于重新冶炼了一次金属，焊缝的硬度、脆性和很多性质都会有变化。所以并非任意两种材质都能焊接，最好是同一种材质同一种焊丝才行，否则引起两种材质互渗现象。,43,铆接不可拆卸，与其他连接形式相比，虽然铆接寻在种种问题，但同样也不能忽视其优势，它的工艺过程简单，连接强度稳定可靠，检查和排除故障容易，能够适应于结构复杂的各种金属和非金属材料之间的连接。 在日常生产中，不光要看
17、到焊接的优势，同时也应看见铆接的优势，在不同的情况下选择最适合的连接方式是很有必要的。 罪犯的镣铐。蹲反省房。,44,现需检验以下材料的冲击韧性，问哪些材料要开缺口?哪些材料不要开缺口? W18Cr4V，Cr12MoV，3Cr2W8V，40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi，铸铁。 第一种高速钢 不需要 第二种模具钢 不需要 第三种模具钢 不需要 第四种高强度机械零件用钢 Akv都60 绝对要缺口而且是V 第五种 结构钢 可以开U型缺口 第六种 渗碳钢 绝对要 而且是V 第七种 铸铁 不用缺口就可以断掉。 答：缺口的作用是增加材料的脆性，塑性好的材料需要开缺口，而脆性大的材料则不
18、需要开缺口。根据材料的化学成分可判断其脆性大小，通常亚共析钢脆性小，而共析钢和过共析钢脆性大。 因此40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi（都是亚共析钢）需要开缺口； 而W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V（都是过共析钢）、铸铁不需要开缺口。,45,下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测的TK较高？为什么？ （1）拉伸和扭转、（2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲、（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸 答：材料的脆性越大， TK越高；同一种材料的脆性则随试验条件而定； （1）拉伸测出的TK比扭转测出的TK高，因为扭转条件下，材料容易产生塑性变形，材料的脆性小。 （2）缺口冲击弯曲测出的TK比缺口静弯曲测出的TK高，因为冲击试验时，加荷速度增加使变形速度增加，结果使塑性变形受到抑制，从而使材料的脆性增加。 （3）缺口试样拉伸测出的TK比光滑试样拉伸测出的TK高，因为缺口使材料的脆性增加。,
