第三章-材料的冲击韧性及低温脆性

第三章材料的冲击韧性及低温脆性1第三章材料的冲击韧性及低温脆性§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性§3-2低温脆性第三章材料的冲击韧性及低温脆性2§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验1.一次冲击弯曲试验缺口试样一次冲击弯曲试验原理如图3-1所示。试验在摆锤式冲击试验机上进行，将试样水平放置于试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。冲击时将具有一定质量G的摆锤举至具有一定高度H1的位置，使其获得一定位能GH1。第三章材料的冲击韧性及低温脆性3§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验释放摆锤冲断试样后摆锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断试样失去的位能为GH1-GH2，此即为试样变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功，以AK表示，单位为J。具体的试验与方法及操作规范可参考GB229-84和GB2106-80。第三章材料的冲击韧性及低温脆性4§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比(charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样，两种试样的形状及尺寸如图所示。所测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV。另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10mm×l0mm×10mm的无缺口冲击试样。第三章材料的冲击韧性及低温脆性5§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验2.多次冲击弯曲试验实践表明，即使那些通常承受剧烈冲击载荷的机件，也很少有只经受一次或几次冲击就断裂的。当试样破坏前承受的冲击次数少于500-l000次，试样断裂的规律与一次冲击相同；当冲击次数N＞l05时破坏后具有典型的疲劳断口特征。这表明它是各次冲击损伤积累的结果，根本不同于一次冲击破坏的过程，所以多冲抗力不能用AK值简单代替。因此，为了解决机件多冲断裂失效问题，应对材料进行小能量的多次冲击试验，提出多冲抗力，并研究它的变化规律。第三章材料的冲击韧性及低温脆性6§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验多次冲击试验在落锤式多次冲击试验机PC-150上进行，冲击频率为450周次/min和600周次/min。冲击能量靠冲程调节而变换(0.1-1.5J)，可做多冲弯曲、拉伸和压缩试验。试验后可绘制出冲击功A--冲断次数N曲线，如图3-4所示。从A-N多冲曲线不难看出，随冲击功A的减少，冲断次数N增加。第三章材料的冲击韧性及低温脆性7§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义1.一次冲击用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKV(AKU)，便得到冲击韧度或冲击值aKV(aKU)，即aKV(aKU)是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性有关，单位为J/m2。第三章材料的冲击韧性及低温脆性8§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义人们一直将akv(aku)视为材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，用来评定材料的韧脆程度，作为保证机件安全设计的指标。但akv(aku)表示单位面积的平均冲击功值，是一个数学平均量。实际上冲击试样承受弯曲载荷，缺口截面上的应力应变分布是极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，故取平均值是毫无物理意义的，所以这指标目前已不大使用。第三章材料的冲击韧性及低温脆性9§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义冲击功AK虽可表示材料的变脆倾向，但不能真正反映材料的韧脆程度。因为用于冲断试样的冲击功AK并非完全被试样的变形和断裂过程所吸收，其中有一部分功消耗子空气阻力、机身振动、轴承与测量机构的摩擦及冲断试样的飞出等。尽管冲击吸收功不能真正代表材料的韧性程度，但由于它对材料成分、内部组织变化十分敏感，而且一次冲击弯曲试验方法简便易行，所以仍被广泛采用。第三章材料的冲击韧性及低温脆性10§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义一次冲击弯曲试验主要有以下几方面用途：它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测量AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可检查过热、过挠、回火脆性等锻造或热处理缺陷。第三章材料的冲击韧性及低温脆性11§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验(低温冲击试验)可获得AK与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。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。第三章材料的冲击韧性及低温脆性12§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义2.多次冲击目前还没有统一表示多冲抗力的方法，一般用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲力工作寿命N时的冲断能量A来表示试样的多冲抗力。材料的多冲抗力是一个取决于强度和塑性的综合力学性能，它的变化有如下一些规律。第三章材料的冲击韧性及低温脆性13§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义冲击能量高时，材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。多数受冲击载荷作用的机件，均在数万到数百万次以上，属于小能量冲击，其冲击抗力主要取决于强度，在选材或制定工艺时应尽量考虑强度的主导作用，不应盲目追求塑性和冲击韧性。第三章材料的冲击韧性及低温脆性14§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义图3-5为35钢经200℃和500℃回火的多冲曲线．两条曲线在102周次左右处相交。在交点以左，经500℃回火材料的塑性高，强度低，其冲击疲劳抗力高，寿命长；在交点以右，冲击能量低时，经200℃回火材料的强度高，塑性低，其冲疲劳抗力高，寿命长第三章材料的冲击韧性及低温脆性15§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。图3-6为40钢强度、塑性、冲击韧性及不同能量下的冲断次数与回火温度的关系．由图可见，40钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化不是单调的变化，而是在某一温度下有一个峰值，且此峰值随冲击能量增加向高温方向移动．第三章材料的冲击韧性及低温脆性16§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。说明不同冲击能量下，要求的强度与塑性配合不同．例如锻锤锤杆，原用45Cr钢油淬，650℃回火，αk值高，强度低，使用过程中常易折断，寿命低。根据多冲疲劳抗力变化规律，改用盐水淬火加中温回火，强度提高，αk值降低，使用寿命明显提高．第三章材料的冲击韧性及低温脆性17§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义aKV值对冲击疲劳抗力的影响。材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力作用不大。见图3-7，高强度时，σb＝l500MPa，随aKU值增加，冲击疲劳抗力显著增大；而低强度时，σb＝l000MPa，随aKU值增加，冲击疲劳抗力提高不多。第三章材料的冲击韧性及低温脆性18§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性二、冲击韧性及其工程意义aKV值对冲击疲劳抗力的影响。这是因为中强度钢的冲击韧度已经比较高，再增加aKU值对提高冲击疲劳抗力的影响甚微；而对高强度水平材料，冲击韧度比较低，适当提高一些韧性对提高冲击疲劳抗力的影响比较突出。应当指出，上述冲击疲劳的规律都是用小试样试验得出的结果，在应用于大尺寸的实际机件时，要结合具体情况慎重分析，要考虑应力状态和尺寸效应问题，必要时还要进行断裂力学分析，以防发生脆断。第三章材料的冲击韧性及低温脆性19§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应尽管机件在冲击载荷作用下的失效类型和静载荷一样，仍表现为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂，但在分析冲击载荷下机件的失效及材料的力学行为时必须注意冲击载荷本身的特性。第三章材料的冲击韧性及低温脆性20§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷的类型和大小有关。而在冲击负荷下，由于负荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能．因此，机件及与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的持续时间，从而影响加载速度和惯性力的大小由于冲击过程持续时间很短而测不准确，就很难按惯性力计算机件内的应力．所以，冲击载荷下的应力通常按能量守恒法计算，并假定冲击能全部转换成机件内的弹性能．再计算应力和应变．第三章材料的冲击韧性及低温脆性21§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应静载荷下机件所受的应力，主要与机件的形状及载荷的类型和大小有关。众所周知，弹性变形是以声速在介质中传播的。在金属介质如钢中，声速达到了4982m／s，而普通摆锤冲击试验时绝对变形速度只有5～5.5m／s，这样，冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响而应变速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影响．第三章材料的冲击韧性及低温脆性22§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关。运动速率愈大，则能量愈大，宽度愈小，故派纳力愈大。结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展．此外，冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度．上述诸点均使金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行．第三章材料的冲击韧性及低温脆性23§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应在静载下，塑性变形较均匀地分布于各个晶粒中。在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域，这表明冲击载荷下的塑性变形是极不均匀的。这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。材料塑性相应变速率之间并无单值依存关系，在大多数情况下，缺口试样冲击试验时的塑性比静载试验的要低．在高速变形时，某些金属可能显示出高塑性，如密排六方金属爆炸成型就是如此．第三章材料的冲击韧性及低温脆性24§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性三、冲击脆化效应塑性和韧性随着应变速率增加而变化的特征与断裂方式有关。如在一定加载规范和温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随应变速率的增加而减小。如果材料产生剪断，则断裂应力随应变速率提高显著增加，塑性可能不变，也可能提高。第三章材料的冲击韧性及低温脆性25§3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性系列冲击实验在材料研究与生产实际中应用较广，因为它比其他实验方法更能灵敏地反映出材料力学性能随内因和外因变化的差异。对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进行时可以得到一系列冲击值AK(或aK)，这种材料冲击韧性与温度的关系曲线，即AK-t或aK-t。这种不同温度下的冲击试验称为系列冲击试验。据此可以评定材料的低温脆性、蓝脆和重结晶脆性等。而这些脆性是材料使用中力图避免出现的，因此系列冲击试验有一定的实用意义．第三章材料的冲击韧性及低温脆性26§3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料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。转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象，但在20-42K极低温度下奥氏体钢及铝合金有冷脆性。高强度钢及超高强度钢在很宽温度范围内冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。第三章材料的冲击韧性及低温脆性27§3-2低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性实验中归纳有3种不同的冲击吸收功-温度关系曲线。第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆性