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1、第三章 金属在冲击载荷下的力学性能n前言：n冲击载荷静载荷的主要区别：加载速率不同。n形变速率（单位时间内的变形量）可间接地反映出加载速率的变化。n相对形变速率又称为应变率（单位时间内应变的变化量）。n许多机件在实际服役时受冲击载荷的作用（如汽车行驶通过道路上的凹坑、急刹车，飞机起飞和降落，金属压力加工（锻造等）。n实践表明：应变率在10-4 10-2S-1内，金属力学性能没有明显的变化，可按静载荷处理。当应变力大于10-2S-1时，金属力学性能将发生显著变化。为了评定金属材料传递冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载荷作用下的力学行为，需要进行相应的力学性能试验。n第一节 冲击载荷下金属变形和断裂
2、的特点n（作图P70，图3-1）冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。n冲击载荷下：应力水平较高，许多位错源同时启动，抑制易滑移阶段的产生和发展；增加位错密度，减少位错运动自由行程增加点缺陷浓度等。导致强度提高。n塑性与韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。正断：减少；剪断：不变或提高。n第二节 冲击弯曲和冲击韧性n1.冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK表示。n2.试验原理：n3.冲击弯曲试验主要用途:n（冲击吸收功AK的大小不能真正反映材料的韧脆性程度。原因是缺口试样冲击吸收的功没有完全用于试样变形和破断，其中有一部分功消
3、耗于试样掷出、机身振动空气阻力等。此外，根据断裂理论，断裂类型取决于裂纹扩展过程中所消耗的功（断裂功），消耗的功大，则断裂表现为韧性，反之则为脆性。但AK值相同的材料，断裂功并不一定相同）。n由于AK对材料内部的组织变化十分敏感，且试验方法简便，所以仍被广泛采用。主要用途有：n（1）反映材料的冶金质量和热加工后的产品质量。n（2）根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得出AK与温度的关系曲线，测定材料的韧、脆性转变温度。n（3）对于S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。n第三节 低温脆性n1.低温脆性现象n（1）现象：体心立方与某些密排六方金属、合金中常见。n（2）
4、实践中有三种不同的冲击吸收功-温度关系曲线。n第一类：很低温度下韧性仍比较高；面心立方金属与合金，如铜、铝等。n第二类：在很宽的试验温度下都呈现脆性，如高碳马氏体钢。n第三类：在一定温度区间内产生低温脆性转变，如体心立方与某些密排六方金属、合金中常见。n（3）原因：温度影响位错在晶体中运动的磨擦 阻力，降低温度，阻力上升。材料变脆。n（图3-5，P73）n两个强度指标：屈服强度受温度影响大；断裂强度受温度影响小（主要与裂纹扩展有关）。n2.韧脆转变温度tRn韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，是强度与塑性的综合表现，因此在特定条件下，能量、强度和塑性都可用于表示韧性。n目前尚无简
5、单的判据求韧脆转变温度tRn通常根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义。n方法：不同温度下作冲击弯曲试验。得出冲击功-温度曲线；断口形貌中各区所占面积-温度曲线；塑性变形量-温度曲线等。n3.根据能量判据与断口形貌判据定义tR的方法：图3-6 P73n低阶能当低于某一温度，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。n高阶能当高于某一温度，材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为高阶能。n（1）以“低阶能”开始上升的温度定义为tRn（记为NDT，Nil Ductility Temperature）称为无塑性或零塑性转变温度。（这是无预先塑性变
6、形断裂对应的温度，在NDT以下，断口由100%的结晶区组成。n（2）以“高阶能”对应的温度为tRn（记为FTP,Fracture Transition Plastoc）高于FTP下的断裂，将得到100%纤维状断口（零解理断口）。n（3）以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tR。n（记为FTE,Fracture Transition Elastic）n（4）断口形貌判据：n通常以结晶区面积占整个断口面积50%时的温度定义为tRn记为50%FATT,(Fracture Appearance Transition Temperature)或FATT50 或t50n断口上各区面积按国家标准规定认定。n
7、NDT,FTE,FATT50,与塑性指标，冲击韧性指标同属安全性指标。n三 落锤试验与断裂分析图n普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。50年代初，美国海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。n试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随试样温度下降，其力学行为发生如下变化。n1.不裂；n2.拉伸侧表面部分形成裂纹，但末发展到边缘；n3.拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边；n4.试样断成两部分。n一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边时的最高温度为NDT.n目前，NDT已成为低强度钢构
8、件防止脆性断裂设计根据的一部分，如：n（1）NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于工作温度，此时在高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂；n（2）NDT+33设计标准 对结构钢而言NDT+33约为FTE，适用于原子能反应堆压力容器标准。n（3）NDT+67适用于全塑性断裂，在塑性超载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力，适用于原子能反应堆压力容器标准。n落锤试验法的缺点：对脆性断裂不能定量评定。没有考虑板厚的影响。n通过落锤式试验求得的NDT可以建立断裂分析图FAD.n分析图FAD是应力、缺陷和温度之间关系的综合图。它可以明确提供低强度钢构件在温度、缺陷和应力作用下脆性断裂开始和终止条件。n第四节 影响冲击韧性和脆性转变温度的 因素n 一 冶金因素n1.晶体结构的影响n2.化学成分的影响n3.显微组织的影响n（1）晶粒大小；（2）金相组织；n二 外部因素n1.温度n2.加载速度n3.试样尺寸和形状