冲击韧性与疲劳极限(模块一)

课题3冲击韧性与疲劳极限强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。•冲击载荷和冲击韧性:在很短时间内作用金属材料上的载荷称为冲击载荷。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。•冲击试验：冲击试样——冲击试验机——一次摆锤冲击试验——小能量多次冲击试验。一、冲击韧性材料冲击韧性的表示方法•按照国标GB/T229－2007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2，其单位是焦耳（J）。•冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。•冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。•冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。一次摆锤冲击试验原理•冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。•所以，摆锤用于冲断试样的能量AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。【小资料】GB/T229－2007与GB/T229－1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV8转变温度Tt韧脆转变温度TC•低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。•冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。•冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（Tt）。•转变温度（Tt）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。•对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。•金属疲劳现象:变动载荷和循环应力——金属疲劳概念。•疲劳曲线和疲劳极限：冲击试样——冲击试验机——一次摆锤冲击试验——小能量多次冲击试验。二、疲劳极限变动载荷和循环应力•变动载荷：指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。•变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳概念•金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。•疲劳破坏的特征：疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；疲劳破坏的宏观断口由三部分组成，疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳断口疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）•1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。•事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。•当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作σR。•通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。疲劳极限•对一般低、中强度钢：107周次•对高强度钢：108周次•对铝合金，不锈钢：108周次•对钛合金：107周次提高疲劳极限的途径(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。(2)提高零件表面加工质量。(3)对材料表面进行强化处理。欢迎多提宝贵意见！谢谢大家！