金属在冲击载荷下的力学行为。

1孙朝阳机械工程学院[e-mail](62334197)金属在冲击载荷下的力学行为《工程材料的力学行为》系列专题讲座之四23北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！讲座内容‡冲击载荷下金属变形和断裂的特点‡缺口试样的冲击试验和冲击韧性‡冲击断裂过程分析‡低温脆性及韧脆转变温度‡冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素4北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！1.冲击载荷下金属变形和断裂的特点水杯跌落子弹穿透特点？V=1.5~2.0km/s5北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！¾加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，单位时间内应力增加值。¾变形速率：¾应变速率：d/dvlt=d/dtεε=1.冲击载荷下金属变形和断裂的特点‡加载速率和应变速率‡应变速率分类¾静态应变速率：10-5~10-2¾高应变速率：102~104¾中等应变速率：10-2~102如锤、飞轮。如子弹。6北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！1.冲击载荷下金属变形和断裂的特点变形和破坏过程：弹性变形、塑性变形、断裂。‡冲击变形的特点弹性变形速度：4982m/s（＞声速）,摆锤冲击绝对变形速度：5~5.5m/s。高速冲击试验变形速率103m/s‹弹性阶段：弹性行为及弹性模量对应变率无影响。‹塑性阶段：¾弹性极限、屈服强度等变形抗力提高¾塑性变形极不均匀7北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！¾位错运动速率↑，滑移临界切应力↑，冲击韧性↑。¾同时开动位错源增加，屈服强度提高得较多。¾内部塑性变形不均匀。1.冲击载荷下金属变形和断裂的特点‡影响冲击性能的微观因素8北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！1.冲击载荷下金属变形和断裂的特点材料韧、脆性的评价方法材料韧、脆性本身性质9北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！讲座内容‡冲击载荷下金属变形特点‡缺口试样的冲击试验和冲击韧性‡冲击断裂过程分析‡低温脆性及韧脆转变温度‡冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素10北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！2.切口试样的冲击试验及冲击韧性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，J/cm2或kgf/cm2‡冲击韧性‡冲击韧性作用表示冶金缺陷的影响。对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。评定低温脆性倾向。11北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！冲击实验机‡冲击试验2.切口试样的冲击试验及冲击韧性实验过程摆锤5、10、15、30kg12北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！陶瓷、铸铁采用无缺口试样。2.切口试样的冲击试验及冲击韧性‡冲击试样(GB/T229-1994和GB/T2106-1980)夏比U型缺口(梅氏)试样：10×10×55mm，跨距45mm，缺口U型。夏比V型缺口(夏氏)试样：10×10×55mm，跨距45mm，缺口V型。13北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！2.切口试样的冲击试验及冲击韧性‡冲击韧性试样缺口处的截面面积Sn(cm2)去除Akv(Aku)。‡缺口冲击试验原理将重量G的摆锤举至高度H1，使其获得势能GH1，将摆锤释放，下落至最低位置处将试样冲断。摆锤在冲断试样时所做的功，称为冲击功，以Ak表示，摆锤的剩余能量为GH2，则Ak=G(H1-H2)，缺口形式分别记为Akv、Aku摆锤冲击速度5m/s，应变速率约为103s-1。kvkvkvku()()nAASαα=综合性力学性能指标，与材料强度、塑性及试样形状、尺寸、缺口形式有关14北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！材料常规力学性能的5大指标之一。控制材料的冶金质量和铸造，锻造，焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向。2.切口试样的冲击试验及冲击韧性‡缺口冲击试验应用15北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！讲座内容‡冲击载荷下金属变形特点‡缺口试样的冲击试验和冲击韧性‡冲击断裂过程分析‡低温脆性及韧脆转变温度‡冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素16北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！3.冲击断裂过程分析缺口试样载荷挠度曲线PPC为弹性变形阶段PPC塑性变形和形变强化阶段P达到Pmax时，塑性变形贯穿整个缺口截面，缺口根部开始横向收缩，承载面积减小，承载能力降低，载荷下降缺口根部变为三向应力状态，试样内部萌生裂纹裂纹扩展载荷下降，载荷达PF时，扩展到缺口根部的整个宽度，形成脚跟形纤维区裂纹扩展形成结晶状断口区，呈放射状，载荷陡降到PD未断截面面积较小，与两侧一样处在于平面应力状态，自由变形形成二次纤维区和剪切唇，载荷r降到零。cepdAAAA=++Pmax缺口根PF17北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！①强度高、塑性低、无裂纹扩展功部分，说明这种材料裂纹难以形成，但裂纹极易失稳扩展②强度较高，裂纹较难形成，且具有一定抵抗裂纹扩展的能力③强度低并具有较大的抵御裂纹扩展的能力3.冲击断裂过程分析18北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！讲座内容‡冲击载荷下金属变形特点‡缺口试样的冲击试验和冲击韧性‡冲击断裂过程分析‡低温脆性及韧脆转变温度‡冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素19北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！4.低温脆性及韧脆转变温度材料因温度降低由韧性断裂转变为脆性断裂，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的现象。‡低温脆性现象转变温度Tk称为韧脆转变温度或脆性转变临界温度，也称为冷脆转变温度‡韧脆转变温度20北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！4.低温脆性及韧脆转变温度‡面心立方金属及其合金冲击韧性高，温度降低时冲击韧性的变化不大，不会导致脆性破坏，无低温脆性现象，如铜、铝等。‡高强度体心立方合金室温的冲击韧性就很低，材料内有裂纹时可在任何温度和应变速率发生脆性破坏，这类材料本身较脆，韧脆转变现象不明显。如高强度钢、超高强度钢、高强度铝合金和钛合金等。‡低、中强度体心立方金属冲击韧性对温度敏感，室温以上韧性很好，但低至-20~-40℃时变为脆性状态，这些材料常称为冷脆材料，如低碳钢或低含金高强度钢。21北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！低温拉伸试验低温冲击试验落锤试验4.低温脆性及韧脆转变温度‡低温脆性评定22北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！温度较高时冲击功较高，存在一上平台，称为高阶能，该区间表现为韧性断裂。低温下冲击功很低，表现脆性的解理断裂，冲击功的下平台称为低阶能。高阶能和低阶能之间，存在一很陡的过渡区，该区间冲击功变化较大，数据较分散。4.低温脆性及韧脆转变温度‡系列温度冲击试验韧性断裂过渡为脆性断裂纤维状断口过渡为结晶状断口孔聚集型断裂渡为解理断裂23北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！z能量准则z断口形貌准则z断口变形特征准则4.低温脆性及韧脆转变温度‡韧脆转变温度的确定24北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！无塑性或零塑性转变温度NDT：下平台(低阶能)和100%解理断裂的上限温度4.低温脆性及韧脆转变温度‡能量准则塑性断裂转变温度FTP：上平台(高阶能)和100%纤维状断裂的下限温度韧脆转变温度FTE：与低阶能和自阶能的算术平均值对应的温度25北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！温度下降，纤维区面积不断减少，结晶区面积不断增大，材料由韧变脆。通常取断口出现50%纤维状韧性断口和50%结晶状脆性断口时对应的温度为断口形貌转变温度50%FATT(FractureAppearanceTransitionTemperature)或FATT50。4.低温脆性及韧脆转变温度‡断口形貌准则冲击断口形貌示意图26北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！试样冲断时，缺口根部收缩，背面膨胀。规定试样表面相对收缩或膨胀为某一定值(1%或3.8%)或膨胀与收缩部分的边长差值为0.38mm时的温度，为脆性转变温度。4.低温脆性及韧脆转变温度‡断口变形特征准则冲击断口形貌示意图27北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！讲座内容‡冲击载荷下金属变形特点‡缺口试样的冲击试验和冲击韧性‡冲击断裂过程分析‡低温脆性及韧脆转变温度‡冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素28北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！5.冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素冲击韧性韧脆转变温度‡晶体学特性‡冶金因素‡外部因素29北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！5.冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素晶体结构：f.c.c不存在低温脆性。b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能↑，韧性↑。形成柯氏气团，韧性↓。‡晶体学特性30北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！溶质元素间隙原子，使韧性↓置换式溶质，对韧性影响不明显杂质元素S、P、As(砷)、Sn(锡)、Sb(锑)使韧性↓显微组织晶粒大小金相组织(回火索氏体-贝氏体-珠光体，韧性↓),第二相(大小、形态、数量、分布)5.冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素‡冶金因素31北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！温度钢“蓝脆”温度525～550℃(钢的氧化色为蓝色)。C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。加载速率加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度Tk↑。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、不带缺口，则脆性及Tk不同。5.冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素‡外部因素32北京科技大学机械工程学院－－版权所有，请勿传播！本讲小结‡冲击载荷下金属变形特点‡缺口试样的冲击试验和冲击韧性‡冲击断裂过程分析‡低温脆性及韧脆转变温度‡冲击韧性和韧脆转变温度的影响因素