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1、材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 在实际中，有很多零部件是处于冲击载荷作用下工作的，因此，有在实际中，有很多零部件是处于冲击载荷作用下工作的，因此，有必要了解金属材料在冲击载荷作用下的力学行为。必要了解金属材料在冲击载荷作用下的力学行为。冲击载荷冲击载荷与静载荷的主要区别在于与静载荷的主要区别在于加载速度加载速度。加载速率是指载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力加载速率是指载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。增加的数值表示。但通常用但通常用形变速率形
2、变速率来间接反映加载速率的变化。来间接反映加载速率的变化。形变速率由分为绝对形变速率和相对形变速率（形变速率由分为绝对形变速率和相对形变速率（应变速率应变速率）第三章第三章 金属在冲击载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能 静拉伸试验静拉伸试验 1010-5-51010-2-2 s s-1-1 冲击试验冲击试验 10 102 210104 4 s s-1-1 一般情况下一般情况下 ，1010-4-41010-2-2 s s-1-1，材料性能没有明显的变化，可按静载，材料性能没有明显的变化，可按静载荷处理。但荷处理。但 10 10-2-2 s s-1-1时，材料力学性能发生显著的变化，得考虑
3、加载时，材料力学性能发生显著的变化，得考虑加载速率对性能的影响。速率对性能的影响。应变速率应变速率e e为真应变为真应变1材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用第一节第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下金属变形和断裂的特点 与静载荷作用下的力学行为相比，金属材料在冲击载荷作用下，也将同与静载荷作用下的力学行为相比，金属材料在冲击载荷作用下，也将同样产生弹性变形、塑性变形以及断裂。样产生弹性变形、塑性变形以及断裂。提高强度，降低塑性。提高强度，降低塑性。因为：因为：1)1)位错的运
4、动速率位错的运动速率，滑移临界切应力，滑移临界切应力，金属产生附加强化。，金属产生附加强化。2)2)同时开动的位错源增加。同时开动的位错源增加。屈服强度提高得较多。屈服强度提高得较多。3)3)内部的塑性变形不均匀。内部的塑性变形不均匀。弹性变形弹性变形 对材料的弹性行为及弹性模量无显著的影响。对材料的弹性行为及弹性模量无显著的影响。弹性变形是以声速在介质中转播的。在金属材料中的传播速弹性变形是以声速在介质中转播的。在金属材料中的传播速度度4982m/s4982m/s。而普通摆锤冲击试验的绝对变形速度。而普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5 55.5m/s5.5m/s。塑性变形塑性变形2材料力学性能
5、经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 断裂断裂第一节第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下金属变形和断裂的特点 降低塑性和韧性。降低塑性和韧性。而最后的断裂应力与断裂的方式有关。而最后的断裂应力与断裂的方式有关。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。但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性，如密排六方金属爆炸成但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性，如密排六方金属爆炸成形就是如此。形就是如此。3材料力学性能经营者
6、提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用第二节第二节 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性冲击韧性冲击韧性定义：定义：是指材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的是指材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的能力。能力。冲击试验原理冲击试验原理摆锤式冲击试验机上进行的。摆锤式冲击试验机上进行的。mgH1-mgH2=Ak，冲击吸收功。，单位冲击吸收功。，单位J J。4材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的
7、费用冲击试验机冲击试验机冲击试验录像冲击试验录像第二节第二节 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性5材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用第二节第二节 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性标准试样标准试样 U U形缺口或形缺口或V V形缺口试样，分别称形缺口试样，分别称为为夏比夏比U U形或形或V V形缺口冲击试样形缺口冲击试样。对应。对应的冲击功记为：的冲击功记为：Aku或或Akv 。在缺口试样的冲击实验中，缺口在缺口试样的冲击实验中，缺口越尖锐，试样的冲击韧性越小。越尖锐，试样的冲击韧性
8、越小。测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用吸收功，常采用 10mm10mm55mm10mm10mm55mm的无缺口冲的无缺口冲击试样。击试样。6材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用1 1）控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量，即将）控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量，即将A Ak k值作为质值作为质量控制指标使用。量控制指标使用。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示原材料通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示原材
9、料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。2)2)根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得A Ak k值与温度的关系曲线，值与温度的关系曲线，测得材料的韧脆转变温度。测得材料的韧脆转变温度。据此可评定材料的低温脆性倾向，供选材时参考或用于抗脆断据此可评定材料的低温脆性倾向，供选材时参考或用于抗脆断设计。设计时，要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。设计。设计时，要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度
10、。冲击弯曲试验的主要用途冲击弯曲试验的主要用途第二节第二节 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性7材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用一、低温脆性现象一、低温脆性现象 在试验温度低于某一温度在试验温度低于某一温度t tK K时，材料会由韧性状态变为脆性状态，冲时，材料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变为穿晶解理型，断口特征由击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状的断裂现象，称为纤维状变为结晶状的断裂现象，称为低温脆
11、性，低温脆性，也称为也称为冷脆冷脆或或韧脆转变韧脆转变。对应的转变温度对应的转变温度t tK K称为称为韧脆转变温度韧脆转变温度或或冷脆转变温度。冷脆转变温度。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。bcc bcc晶体金属及合金或某些晶体金属及合金或某些hcphcp金属及其合金，特别是工程上常用的中金属及其合金，特别是工程上常用的中低强度结构钢具有低温脆性现象低强度结构钢具有低温脆性现象。而而fccfcc金属，一般不显示低温脆性。金属，一般不显示低温脆性。压力容器、桥梁、汽车、船舶等大型构件以及低温下服役的机件经常压力容器、桥梁、汽车、船舶等大型构件以及低温下服役的
12、机件经常产生低温脆性。产生低温脆性。第三节第三节 低温脆性低温脆性8材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 材料屈服强度随温度降低急剧增加，即材料屈服强度随温度降低急剧增加，即屈服点屈服点ss的变化随温度下降而升高，但材料的变化随温度下降而升高，但材料的解理断裂强度的解理断裂强度cc却随温度变化很小。却随温度变化很小。高于高于t tk k时，时，c c s s ，材料受载后先发，材料受载后先发生塑性变形，随外力的不断增加，塑性变生塑性变形，随外力的不断增加，塑性变形量不断增大，最后断裂，为韧
13、性断裂；形量不断增大，最后断裂，为韧性断裂；低于低于t tk k时，外加应力先达到时，外加应力先达到 c c，但还不，但还不会断裂，而在外加应力不断增加达到时，会断裂，而在外加应力不断增加达到时，材料一发生塑性变形，材料马上就断裂，材料一发生塑性变形，材料马上就断裂，表现为脆性断裂。表现为脆性断裂。低温脆性的物理本质分析低温脆性的物理本质分析第三节第三节 低温脆性低温脆性9材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方 bcc fcc hcp b
14、cc fcc hcp 晶格结构晶格结构10材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用若试验材料的韧性较高时，则有可若试验材料的韧性较高时，则有可能在宏观断口形貌上形成两个纤维能在宏观断口形貌上形成两个纤维区。区。即：即：纤维区纤维区放射区放射区纤维区纤维区剪切唇。剪切唇。裂纹快速扩展形成结晶区，到裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。裂纹扩展速度再次减小。形成纤维区。形成纤维区。冲击试样的宏观断口形貌冲击试样的宏观断口形貌第三
15、节第三节 低温脆性低温脆性如同拉伸试样一样也为如同拉伸试样一样也为 纤维区、放射区、剪切唇纤维区、放射区、剪切唇三个区。三个区。11材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用二、韧脆转变温度二、韧脆转变温度第三节第三节 低温脆性低温脆性12材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度t tk k是温度区间，而不是是温度区间
16、，而不是固定的某一个温度固定的某一个温度t tk k，这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据，这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据能能量、塑性变形或断口形貌量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义随温度的变化定义t tk k。（1 1）FTPFTP（Fracture Transition Plastic):Fracture Transition Plastic):得到得到100%100%纤维状断口的纤维状断口的温度（偏于保守），有时该测定不可能实现温度（偏于保守），有时该测定不可能实现 （2 2）NDTNDT（Nil Ductility TemperatureNil Ductility
17、 Temperature）:低阶能（低于某一个温低阶能（低于某一个温度，冲击吸收能不随温度变化）开始上升的温度（低于此温度时，冲击度，冲击吸收能不随温度变化）开始上升的温度（低于此温度时，冲击断口为断口为100%100%脆断口，解理断口）脆断口，解理断口）（3 3）FTEFTE（Fracture Temperature ElasticFracture Temperature Elastic）:低价能和高阶能的低价能和高阶能的平均值所对应的温度。平均值所对应的温度。第三节第三节 低温脆性低温脆性根据断口形貌定义根据断口形貌定义tk：FATT50，t50，50%FATT：通常以结晶区面积占整个断口
18、面积：通常以结晶区面积占整个断口面积50%时的时的温度定义的温度定义的tk。13材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用第四节第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 b.c.c b.c.c和某些和某些h.c.ph.c.p的低温脆性严重。的低温脆性严重。fcc fcc 不存在低温脆性。不存在低温脆性。因为：因为：位错宽度大，不显示低温脆性。位错宽度大，不显示低温脆性。层错能层错能，韧性，韧性。形成柯氏气团，韧性形成柯氏气团，韧性。一、晶体学结构一、晶体学结构二、
19、冶金因素二、冶金因素 （1 1）溶质元素）溶质元素 间隙原子，使韧性间隙原子，使韧性；置换式溶质，对韧性影响不明显；置换式溶质，对韧性影响不明显；杂质元素杂质元素S S、P P、AsAs、SnSn、Sb Sb 使韧性使韧性。（2 2）显微组织）显微组织 a a）晶粒大小）晶粒大小 b b）金相组织：回火索氏体）金相组织：回火索氏体贝氏体贝氏体珠光体，韧性珠光体，韧性。第二相（大小、形态、数量、分布）。第二相（大小、形态、数量、分布）。14材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 （1 1）温度
20、）温度 钢的钢的“蓝脆蓝脆”525”525550550（钢的氧化色为蓝色）。原因为：（钢的氧化色为蓝色）。原因为：C C、N N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。原子扩散速率增加，形成柯氏气团。一般地，温度一般地，温度，脆性，脆性，韧脆转变温度，韧脆转变温度t tk k 。（2 2）加载速率）加载速率 加载速率加载速率，脆性，脆性，韧脆转变温度，韧脆转变温度t tk k 。（3 3）应力状态、试样尺寸和形状）应力状态、试样尺寸和形状 开缺口，应力状态开缺口，应力状态 ，脆性，脆性，韧脆转变温度，韧脆转变温度t tk k;试样增厚，试样增厚，t tk k（表面上的拉压应力最大）（表面上的拉压应力最大）。第四节第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素三、外部因素三、外部因素使材料变脆的三个因素：使材料变脆的三个因素：15材料力学性能经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用本章完本章完16