第五章--冲击韧性

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。第5章冲击韧性5.1冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷与静载荷的主要差异在于加载速度不同。加载速度是指载荷施加于机件的速度，用单位时间内增加的应力表示（kgf/mm2s）。加载速度不同，变形速度也随之变化。变形速度是指单位时间内的变形量，可用单位时间内试样的真实相对变形量表示（1/s），也称为应变速率（）。用变形速度可以间接地反映加载速度。dde加载状态划分现代机械中，不同机件的应变速率范围：10−6/s106/s静载：应变速率在≤10−5/s范围，金属材料的力学性能变化不明显；准静态：＝10−5/s10−2/s（相当于静载）；动态：≥10−2/s，金属材料的力学性能变化明显。必须考虑加载速度对力学性能的影响。.....在静载下塑性变形可比较均匀地在各个晶粒中进行。例：超塑性变形。弹性变形受应变速率影响不大，原因在于弹性变形速度较快，是以声速在介质中传播。因此，弹性变形可以及时响应冲击载荷。应变速率对金属的弹性行为及弹性模量不会产生影响。变形速度对变形的影响变形速度对塑性变形的影响变形速度对塑性变形及断裂过程有显著影响。当加载速度提高时，塑性变形来不及充分进行。在冲击载荷下，塑性变形比较集中在某些局部区域，从而会导致塑性变形极不均匀。塑性变形极不均匀，必然限制塑性变形的发展，导致变形抗力（主要是屈服强度）提高。变形速度对断裂的影响变形速度增加时，断裂过程的变化比较复杂，塑性的变化与断裂方式有关：对于低塑性材料，变形速度对断裂抗力影响不大，但塑性、韧性明显下降，从而使脆性断裂倾向增加，材料会正断断裂；对高塑性材料，变形速度增加会显著提高断裂抗力，而塑性、韧性变化不大，有时会有所增加，使断裂方式仍保持切断方式。因此，变形速度增加时，塑性、韧性不一定总是下降（或上升）。冲击拉伸与静拉伸的F－l对比在有缺口（或裂纹）及低温下，随变形速度增加，金属材料的韧性一般是下降的，即材料变脆。因此，提高变形速度和降低温度，与开缺口的作用一样，都是促进材料脆化的原因。在工程试验时常把这三者结合起来，以显示材料的脆化倾向。5.2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。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：)(21HHGAK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，是不可比的。冲击韧性k：冲击吸收功Ak除以缺口底部净横截面积SN：/KKNAS2/Jcmk的单位为注：Ak的单位为N·M(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，Ak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，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。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A1A3温度区间，钢中为+二相混合组织，冲击值降低的现象。5.3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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。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Tk时二种应力相等。当TTk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TTk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，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，Tk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Tk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Tk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Tk值。缺口试样冲击吸收功Ak和解理断口百分数与温度关系AkT曲线存在上、下二个平台Akmax和Akmin，Ak值进入上平台的温度T1－100%纤维状断口，此温度称为塑性断裂转变温度FTP（FractureTransitionPlastic）。TFTP，则脆性断裂的几率趋于零，材料呈现为完全韧断状态；Ak值进入下平台的温度T2－100%解理断口，此温度称为无塑性温度NDT（NilDuctilityTemperature）。TNDT，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，即50%FATT。（FractureAppearanceTransitionTemperature）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，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TK时应注意：不同材料对比冷脆性时，应采用相同定义的TK值；用缺口弯曲试样测定的TK值与实际零件的TK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TK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Tk上升；Ni、Mn、Ti、V都使Tk下降；组织的影响：冷作时效、上贝氏体使Tk上升；低温马氏体、奥氏体组织、高温回火组织都使Tk下降；晶粒尺寸：细化晶粒使Tk下降。影响Tk的主要因素：返回夏比缺口试样