材料力学性能第三章—金属在冲击载荷下的力学性能

江苏科技大学材料科学与工程学院第三章金属在冲击载荷下的力学性能Titanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。3第三章金属在冲击载荷下的力学性能工程中，有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。冲击载荷与静载的主要差异：加载速率不同，加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。4因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。断裂原因：材料缺陷疲劳冲击载荷飞机起落架6缺口冲击载荷降低温度钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的断裂功极低，后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。（脆断趋势）7§3-1冲击载荷下金属变形和断裂的特点1、冲击载荷下，机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。2、由于冲击过程持续时间短，测量不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。83、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。因弹性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s，冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。94、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行，原因为：⑴冲击载荷下位错运动速率大，滑移临界切应力增大，产生附加强化；使许多位错源同时起作用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。⑵冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。10静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。冲击载荷下屈服强度抗拉强度提高5、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。116、塑性、韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。如果在一定加载条件及温度下：材料产生正断，则断裂应力变化不大，随应变率的增加塑性减小；如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。12§3-2冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。二、冲击试样如图所示1、冲击弯曲试验试样的种类：夏比v型缺口冲击试样夏比u型缺口冲击试样无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）缺口试样132、冲击试样开缺口的目的使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，Ak值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互换算和直接比较。14三、冲击弯曲试验1、冲击试验：国家标准GB/T229－2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。K＝mg(H1-H2)对采用u型缺口和v型缺口的试样，其冲击吸收功分别用Aku和Akv来表示。试验前需对试验机进行校核。旧标准使用ak（冲击韧性）作为性能指标。15四、冲击值的意义和讨论1、ak值没有明确的物理意义其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用单位面积吸收的能量ak来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够明确。162、Ak或K值相同的材料，其韧性不一定相同因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小。（图）173、冲击吸收能量K（冲击吸收功AK）并非完全用于试样变形和破断。冲击试验时，摆锤所消耗的总功k一部分用于试样的变形和破断。另一部分消耗于试样的掷出、机身振动、克服空气阻力以及轴承和测量机构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略不计的。当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大，所以不同试验机和不同人员操作的k值相差10％～30％。18五、冲击试验的应用尽管用ak、Ak或K作为一个力学性能指标来表示冲击韧性存在着各种不足之处，但其值的大小对材料的组织十分敏感，能敏感地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。同时，在生产上的长期应用，已经积累了大量有价值的资料和数据。常用来检验冶金、热加工质量。现在还广泛应用在以下几个方面：191、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量（如图所示）检验冶金缺陷：夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级。检验锻造和热处理缺陷：过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等。2、根据系列冲击试验，可测得k与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度、蓝脆、重结晶脆性。203、作为材料承受大能量冲击破坏时的抗力指标。如对装甲板之类的结构件，冲击功就是一个重要抗力指标。但对承受小能量多次冲击（成千上万次）的结构件，用冲击功作为抗力指标并不合适。21§3-3低温脆性一、低温脆性现象1、定义：体心立方金属及合金或某些密排六方金属及其合金，随试验温度的下降而降低，在试验温度低于某一温度时，会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型断裂变为穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状。这种现象称为低温脆性，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。22在1912年，英国探险家斯科特率领一支探险队带了大量给养，包括液体燃料去南极探险，一去就杳无音信。后来发现他们都冻死在南极。带了那么多的燃料为什么还无济于事呢？原来，斯科特一行在返回的路上发现，他们的第一个储藏库里的煤油已经不翼而飞。说明一点，盛煤油的铁筒是用锡焊的。没有煤油就无法取暖，也无法热点东西吃。好不容易克服千难万险，又找到了另一个储藏库，可是那儿的煤油筒同样是空空的，铁筒同样有裂缝，显然煤油都是由于铁筒漏了而流失掉的。23锡瘟21dkyis摩擦阻力晶格阻力位错阻力212aEsc与温度基本无关Ttk时:当σsσc，韧断Ttk时:当σsσc，脆断晶格阻力对温度敏感，且bcc和hcpfcc二、脆韧转变温度韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强度和塑性都可用来表示韧性。1.按能量法定义的方法2.按断口形貌定义的方法ktkt1.按能量法定义的方法(1)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。以低阶能开始上升的温度定义为，并记NDT(NilDuctilityTemperature)，称为无塑性或零塑性转变温度。(2)高于某一温度，材料吸收的能量也基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为，记为FTP(FractureTransitionPlastic)。(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE（FractureTransitionElastic)。kt2.按断口形貌定义的方法冲击试样冲断后，其断口形貌如图3-7所示。ktkt韧脆转变温度是金属材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性的影响，也是从韧性角度选材的重要依据之一。例28需要说明的是：tk属于韧性指标，也是安全性指标。但不能直接用于机件的设计计算；因定义tk的方法不同，同一种材料的也不同，同一种材料使用同一种方法时，可能因为外界因素（试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率等）的改变也要发生变化。三、落锤试验50年代初，派林尼（W.S.Pellini）等人提出用于测定全厚钢板的NDT组成：垂直导轨、重锤和砧座组成25mm×90mm×350mm19mm×50mm×125mm温度下降不裂；拉伸表面部分形成裂纹，但未发展到边缘；拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边；试样断成两部分NDT确定：取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边的最高温度。例四、断裂分析图（FAD）300cs2sbt20040025NDTB弹性塑性℃＋33NDT℃＋76NDTACFTEFTPAⅠⅡⅢⅠ区可能发生脆断Ⅱ区可能发生韧断Ⅲ区不断裂，一直稳定提示：A`BC表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度——裂纹终止线（CAT）应力、温度、缺陷σs32§3-3影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、材料方面的因素（内因）1、晶体结构和强度等级体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向明显，密排六方金属不明显（原因在于派纳力的高低）。中低强度钢一般属于体心立方金属，脆断倾向明显。高强度钢tk不明显。332、化学成分的影响间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度tk提高。3、晶粒尺寸的影响细化晶粒可提高韧性，降低tk。344、金相组织的影响⑴在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢，以S回最好，B回火组织次之，片状珠光体组织最差。⑵较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬火回火组织。⑶在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高于B下。低碳钢低温B上的韧性高于M回。这是由于低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。35⑷在低合金钢中，经不完全等温处理获得B和M混合组织，其韧性比单一M或B要好。这是由于B先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。⑸在某些马氏体钢中存在奥氏体，可改善钢的韧性，抑制解理断裂。36二、外部因素的影响促使材料脆化的因素为温度、形变速度、试样尺寸、应力状态等。1、形变速度的影响提高变形速度有类似降温的作用。但是在常用的冲击速度范围内（4～6m/s），改变变形速度对韧脆转变温度影响不大。372、试样尺寸及取样部位的影响试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比例减少，韧脆转变温度提高。原因是：尺寸越大，出现缺陷的几率增加、缺口前沿三向拉应力状态加剧、平面应变断口比例增加，使脆断抗力下降。取样部位不同，其韧性值也不同。3、应力状态及缺口形式的影响应力状态越硬，缺口越尖锐，韧性越低，韧脆转变温度越高。394041424344JB-S300数显冲击试验机主要技术参数及指标：1摆锤预扬角：150°2摆轴中心至打击中心的距离：750mm、800mm3冲击速度：5.2m/s、5.4m/s4最大冲击能量：300J/500J、500J/250J5试样支座跨距：40mm6试样支座端圆弧半径：R1-1.5mm7冲击刀圆弧半径：R2-2.5mm8冲击刀两斜面夹角：30°9冲击刀厚度：16mm10主机外形尺寸：2124mm×600mm×1340mm、2300mm×600mm×1400mm11重量：480kg、580kg45JB-300/500W微机控制冲击试验机技术参数：1冲击能量：300J、150J/500J、250J2摆锤预扬角：150º3冲击速度：5.2m/s/5.4m/s