1、6 、材料的抗冲击性能许多机器零件在实际工作中要受到 冲击 载荷的作用，如冲床、锻锤等，冲击 载荷属 于动态载荷，而且，温度降低和加载 速度提 高都会增加材料的脆断倾向。 本章主要讨论冲击载荷作用下材料 的性 能评定和冷脆倾向及其影响因素。6.2 冲 击 试验和冲击韧性 缺口 、 低温 和 高应变率是影响材料 脆化的三个因素 ， 可使材料由原来的韧 性断裂状态变为脆性断裂状态 。 在影响 材料脆化的这三个因素中 ， 缺口所造成 的脆化是最 重 要 的 。 对于韧性好的材料 ， 即使温度降至很低 ， 也难 以产生脆性断裂 ， 且冲击造成高应变率产生的脆化 作用也很有限 。 故冲击试验采用缺口试样
2、 。 冲击弯曲试验标准试样是U 型 或V 型 缺口 ， 分别称 为 夏比 （Charpy ）U 型缺口试样和夏比V 型缺口试样 。冲 击 试验原理 缺口试样冲击弯曲试验原理 试验在摆锤式冲击试验机上进 行 。 将试样水平放在试验机支 座上 ， 缺口位于冲击相背方向 。 试验时 ， 将具有一定质量的摆 锤抬起至一定高度H1 ， 使其 获得一定的势能 ， 然后将摆锤 放下 ， 在摆锤下落至最低位置 处将试样冲断 ， 之后 摆锤升 值高度H2 。 摆锤在冲断试样 时 所 做的功称为冲击吸收功： ) ( 2 1 H H G A K = 同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不
3、可比的。冲击韧性 k ： 冲击吸收 功 A k 除 以 缺 口底部净横截面积 S N ： / K KN AS = 2 / J cm k 的单位为 注：A k 的单位为NM(J) 。冲击吸收功 的 意 义 冲击实验中 ， 冲断试样所吸收的冲击吸收 功是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总 功 。 （ 忽略试样掷出 、 机身振动 、 空气阻力等 ） 由 冲 断过程中所耗的功由三部分组成： 弹性功 、 塑性功 、 撕 裂功 （ 裂纹扩展功 ） 对不同材料， 其冲击吸收功可以相同 ， 但它们 的弹性功 、 塑性功和撕裂功却可能差异很大 。 显然 ， 冲击吸收功的大小难以真实反映材料的韧 性性质 。 若弹性
4、功所占比例很大 ， 塑性功比例很小 ， 撕裂功几乎为零 ， 则表明材料断裂前塑性 变形小 ， 裂纹一旦形成便立即扩展直至断 裂 ， 断口必然呈放射状甚至结晶状 的 脆性 断口 。 若塑性功占比例很大 ， 裂纹扩展的撕裂功 也大 ， 则断口则是以呈纤维状为主的韧性 断口 。 因此 ，A k 值的大小并不能直接反映材料的 韧或脆的性质 ， 只有其中的塑性功 ， 特别 是 撕裂 功的大小才显示材料的韧性本质 。冲 击 实验的应用 冲 击 试验采用了缺口试样，在缺口根部由于三向应力的 形 成 ，使所处的应力状态变“硬”，加之冲击加载在缺 口 根 部形成很高的应变速率，这些作用提高了材料的脆 化 倾 向
5、，而且这种脆化倾向主要是缺口所致（因为冲击 加 载 使缺口周围区域产生塑性变形，而松弛应力集中的 过 程 来不及进行）。所以，从这个意义上说， 冲击吸收 功 主 要是反映材料的缺口敏感性。 冲 击 吸收功和冲击韧性值对金属材料的组织结构、冶金 缺 陷 比较敏感，可检验、控制材料的冶金质量及热加工 质量。 冲击实验可评定材料从低温到高温出现的各种脆化现象， 例 如 冷脆、蓝脆、重结晶脆性等。脆化现象蓝脆 指钢加热到500 左右出现冲击值下降的现象 。 此时断裂面表面 氧 化 呈蓝 色 。 蓝脆现象是一种在塑性变形过程中发生的应变时 效过程 ， 可以称为动态应变时效 。 主要机制与位错被钉扎有关
6、。 当位错运动与其它 位错交割或因遇到内应力峰而受阻从而暂时停滞 时 ， 在一定温度下溶质原子可借热激活而扩散并 重新在位错周围聚集形成气团 ， 钉扎位错使之运 动受到更大的阻力 ， 相应地提高变形抗力 ， 并使 塑性下降而呈现 出 脆 性 。 重结晶脆性是在A 1 A 3 温度区间，钢 中为+ 二相混合组织， 冲击值降低 的现象。6.3 低温脆性和冷脆转变温度 材料因温度的降 低导致冲击韧性的急 剧下降并引起脆性破 坏的现象称为低温脆 性 （ 冷脆 ） 。 不同材料在冷脆 温度区间的冲击值与 温度的关系大致有三 种类型： 一、低温脆性现 象 （ 冷脆 转 变 ） 不同材料的 冷 脆 倾 向
7、对中 、 低强度的面心立方金属材料 ， 其冲击值 在很宽的工程应用温度范围内都很高 ， 可以不 考虑低温脆性和冷脆转变问题； 对于高强度材料， 如高强钢 、 钛合金等 ， 在缺 口存在的所有温度下 ， 通常都是脆性断裂 ， 冲 击值都很低 ， 因此冷脆现象也不明显； 对工程上应用很广的低 、 中强钢材料 ， 则 在低 温时可表现为解理断裂 ， 而 在高温时呈现韧性 断裂 ， 即在某一温度范围内 ， 冲击值对温度十 分敏感， 因此对这类材料制造低温服役的结构 件时 ，必须考虑冷脆转变温度的影响。冷脆现象与材料 屈 服 应力 s 和裂纹失稳扩展临界 应力 c （解理断裂强度 ）随温度的变化有关。
8、s 随温度升高而明显下降 ， 而 c 则对温度较不敏感 。 因 而 ， 在某温度T k 时二种应力 相等 。 当TT k 时 ， c s ， 材料先发 生屈服和形变硬化 ， 使应力 上升达到 c 时呈韧性断 裂； 当TT k 时 ， c s ， 即在屈服 变形前应力已经达到了 c ， 满足了裂纹失稳的必要条件 ， 从而导致脆性断 裂 。 c 屈服应 力 s 和裂纹失稳 扩展 临界应 力 c 随温度变化 实际上 ， 即使在解理断裂中 ， 裂纹形核 也是塑性变形的结果， 而当应力达到 c 时 （ c s ） 尚 无裂纹成核， 不满足裂纹 失稳的充分条件 。 因此 ， 只有当应力继 续增大到 s 时
9、 ， 因塑性变形使裂纹成核 和裂纹扩展同时进行 ， 即断裂强度与屈 服强度重合 ， 材料呈脆性断裂 。 因此 ，T k 称 为 冷脆转变温度 。 实际情况下 ， 冷脆转变是在一个温度范 围内进行的 ， 所以T k 只是这个范围的某 种表征值 。二、冷脆转变温 度 的 评定 和 影 响因 素 冷脆转变温度是一个温度范围 ， 但在材料 冷脆敏感性评定和工程构件的选材上都希 望 用 单一的温度值T k 来表征 。 即使在同一材料的同一试样冲击吸收功 温度曲线上 ， 由于定义不同 ， 也会得到 不同的T k 值 。缺口试样冲击吸 收 功A k 和解理断口百分数与温度关系 A k T曲线存在上 、 下二
10、个平台A kmax 和A kmin ， A k 值进入上平台的温度T 1 100% 纤维状断口 ， 此 温度称为塑性断裂转变温度FTP （ Fracture Transition Plastic ） 。 T FTP ， 则脆性断裂的几率趋于零 ， 材料呈 现为完全韧断状 态 ； A k 值进入下平台的温度T 2 100% 解理断口 ， 此温 度称为无塑性温度NDT （ Nil Ductility Temperature ） 。 T NDT ， 则材料处于完 全 脆断 状 态 。断口形貌转 变 温 度50% FATT ： 定义对应于50%（断面占比）解 理断口的特征 温度，称为断口形 貌转变温度
11、 ， 即50% FATT 。 （Fracture Appearance Transition Temperature ）冷 脆 转变的断口（冲击断口） 缺 口 冲击试样的断口也分为三个区： 纤维区 、 放射区 和 剪切唇区。 各 区 的相对比例及分布 视 材 料的塑性而定 。 通 常 裂 纹源位于缺口根部 （受 拉应力 ） 的中段稍 离表面 处 。 在受压应力 区 ，裂纹扩展速率减小 而 出 现二次纤维区 。 塑性较好的材料 ， 裂纹沿二侧向深度方向稳定 扩展 ， 中央部分较深 ， 构成中部突进式的纤维 状区域 ， 然后失稳扩展而形成放射区 。 由于试 样的无缺口侧受压应力 ， 应力状态变软
12、， 因而 可在此侧出现二 次 纤 维区 。 塑性很好的材料 ， 则放射区可完全消失 ， 整个 断面上只存在纤维区和二侧及底部最后形成的 剪切唇； 若 材料塑性很差 ， 则受压侧塑性变形区很小 ， 二次纤维区会消失 ， 直至观察不到剪切唇 ， 这 时断口几乎全部 为 放 射区 。 放 射 区表征脆性断裂； 纤 维 区及剪切唇区表征韧性断裂； 在典 型的冷脆转变条件下，几乎可以观察 到由100% 的纤维+剪切唇区断口向100% 的 放 射 区断口的过渡。评定脆性转 变 温 度T K 时应注意： 不同材料对比冷脆性时 ， 应采用相同定义 的T K 值； 用缺口弯曲试样测定的T K 值与实际零件的 T K 值可能会因尺寸 、 形状等因素的影响 ， 有较大 差 异 。 因此 ， 由缺口试样测定的T K 只能作为工程 应用中的一种定性判断 ， 对于重要构件应 用 更 接近实际工况的实验评定 。 材料结构的 影 响 合金成分的影响：钢中的 C、P 、O、H、N 、 Mo 、Al、Si都使T k 上升；Ni 、Mn 、Ti 、V 都 使 T k 下降； 组织的影响：冷作时效、上贝氏体使T k 上升； 低温马氏体、奥氏体组织、高温回火组织都使 T k 下降； 晶粒尺寸： 细 化 晶 粒 使T k 下降。 影响T k 的主要因素：
