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1、第三章第三章 金属在冲击载荷下的金属在冲击载荷下的力学性能力学性能1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前言前言1.1.冲击载荷与静载荷的区别：加载速率冲击载荷与静载荷的区别：加载速率2.2.加载速率变化的反应：形变速率加载速率变化的反应：形变速率3.3.形变速率的表示：应变率形变速率的表示：应变率 当应变率大于当应变率大于1010-2-2S S-1-1时，应视为冲击载荷时，应视为冲击载荷4.4.冲击实验的作用：揭示金属脆断时的趋势冲击实验的作用：揭示金属脆断时的趋势23-1 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一、弹性变形一、弹性变形 由
2、于冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化，因由于冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化，因此，应变率对金属材料的弹性行为和弹性模量没有影响。此，应变率对金属材料的弹性行为和弹性模量没有影响。二、塑性变形二、塑性变形1.位错运动速率增加，派纳力（晶格阻力）增大，产生位错运动速率增加，派纳力（晶格阻力）增大，产生附加强化。附加强化。2.冲击载荷使塑性变形难以进行，且变形不均匀。冲击载荷使塑性变形难以进行，且变形不均匀。3.金属屈服强度和抗拉强度提高，金属易脆断。金属屈服强度和抗拉强度提高，金属易脆断。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3三、塑性和韧性三、塑性和韧性 塑性
3、和韧性比静载荷时要小。塑性和韧性比静载荷时要小。3-2 金属冲击载荷下的力学性能金属冲击载荷下的力学性能1.冲击载荷：冲击载荷：具有能量特性，与零件的断面积、形状和体积有关。具有能量特性，与零件的断面积、形状和体积有关。在力学性能试验中，可以直接用能量定性地表示材在力学性能试验中，可以直接用能量定性地表示材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力学性能。料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力学性能。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42.缺口试样：在冲击载荷下更能反映材料的变脆倾向。缺口试样：在冲击载荷下更能反映材料的变脆倾向。一、冲击弯曲和冲击韧性一、冲
4、击弯曲和冲击韧性1.冲击弯曲实验方法和原理冲击弯曲实验方法和原理 摆锤冲击试验原理示意图3-2 金属冲击载荷下的力学性能金属冲击载荷下的力学性能5（1 1）冲击功）冲击功质量质量m m的摆锤，举至高度的摆锤，举至高度H H1 1，势能，势能mgHmgH1 1；锤释放，将试件冲断。锤释放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以的功，称为冲击功，以A Ak k表示。表示。剩余的能量使摆锤扬起高度剩余的能量使摆锤扬起高度H H2 2，故剩余的能量即为故剩余的能量即为mgHmgH2 2。A Ak k=mgH1-mgH
5、2=mg(H1-H2)=mgH1-mgH2=mg(H1-H2)A Ak k的单位为的单位为Kgf.mKgf.m或或J J。3-2 金属冲击载荷下的力学性能金属冲击载荷下的力学性能6（2）冲击韧性）冲击韧性缺口为缺口为U U型：型：冲击韧性值：冲击韧性值：a aKUKU=A Ak k/A/An n 式中：式中：A Ak k-冲击功，冲击功，A An n-净断面积。净断面积。缺口为缺口为V V型：型：冲击韧性值：冲击韧性值：a aKVKV=A=AK K/A/An n 。2.2.冲击弯曲实验的用途冲击弯曲实验的用途评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量
6、通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣、气泡、偏析、严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、渣、气泡、偏析、严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；3-2 金属冲击载荷下的力学性能金属冲击载荷下的力学性能7确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、的抗力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值：防弹
7、甲板等，具有参考价值：评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。二、冲击拉伸二、冲击拉伸 试样在拉伸状态下，受冲击载荷作用的一种动态力试样在拉伸状态下，受冲击载荷作用的一种动态力学性能实验方法。学性能实验方法。3-2 金属冲击载荷下的力学性能金属冲击载荷下的力学性能83-3 低温脆性低温脆性一、低温脆性现象一、低温脆性现象1.低温变脆现象低温变脆现象 金属材料的强度一般均随温度的降低而升高，而塑金属材料的强度一般均随温度的降低而升高，而塑性则相反。性则相反。2.低温脆性低温脆性 一些具有体心立方晶格的金属，如一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、
8、Mo和和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低到零而变为脆当温度降低到某一温度时，由于塑性降低到零而变为脆性状态。这种现象称为低温脆性。性状态。这种现象称为低温脆性。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93-3 低温脆性低温脆性 低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降低而低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率问题。变化的速率问题。倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度慢，则在某一温度TcTc以下，金属在没有塑性变形的情况下发生断以下，金属在没有塑性
9、变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的；裂，即表现为脆性的；而在而在TcTc以上，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。以上，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。金属的强度和塑性随温度的变化金属的强度和塑性随温度的变化103-3 低温脆性低温脆性3.韧脆转变温度韧脆转变温度 转变温度转变温度TK，也称冷脆转变温度。也称冷脆转变温度。4.出现范围出现范围5.应用应用二、韧脆转变温度二、韧脆转变温度 研究低温脆性的主要问题是确定韧脆研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。转化温度。实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功AK，得到断口
10、形貌特征与温度的关系曲线。然后按一定得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按一定的方法确定韧脆转化温度。的方法确定韧脆转化温度。111.根据能量法定义根据能量法定义TK(1)(1)以以V V型缺口冲击试件测定的冲击功型缺口冲击试件测定的冲击功A AK K=15ft/bf(20.3N=15ft/bf(20.3N M)M)对应的温度作为韧脆转化温度，并记为对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V V1515TTTT。实践经验总结而提出的方法实践经验总结而提出的方法.(2)(2)根据冲击功大小定义根据冲击功大小定义 下图中的曲线有两个平台，上平台所对应的能量称下图中的曲线有两个平台，上平台所对应的能量称
11、为为高阶能高阶能，下平台所对应的能量称为，下平台所对应的能量称为低阶能低阶能。3-3 低温脆性低温脆性12 将低阶能开始上升的温度定义为韧将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度，脆转化温度，记为记为NDTNDT，称为零塑性温度。在称为零塑性温度。在NDTNDT以下，试件的断口为以下，试件的断口为100100的结晶状断。的结晶状断。将高阶能开始降低的温度定义为韧将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。脆转化温度。记为记为FTP(Fracture Transition Plastic)FTP(Fracture Transition Plastic)当温度高当温度高于于FTPFTP，试件的断
12、口为试件的断口为100100的纤维状断口。的纤维状断口。高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化温度，记为脆转化温度，记为FTT(FractureFTT(Fracture Transition Transition Temperature)Temperature)2.2.根据断口形貌定义根据断口形貌定义T TK K3-3 低温脆性低温脆性13 断口上有纤维区、放射区断口上有纤维区、放射区(结晶区结晶区)和剪切唇。和剪切唇。在不同的温度下在不同的温度下,上述三个区的相对面积是不同的；上述三个区的相对面积是不同的；结晶区的面积随温度的变化，结晶区
13、面积百分比的增结晶区的面积随温度的变化，结晶区面积百分比的增大大,表示材料变脆。表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占通常取结晶状断口面积占5050时的温度为韧脆转化时的温度为韧脆转化温度，记为温度，记为5050FATT(FractureFATT(Fracture Appearance Appearance Transition Temperature)Transition Temperature)。3-3 低温脆性低温脆性143.应用应用（1）TK是从韧性角度选材的重要依据之一是从韧性角度选材的重要依据之一,用于抗脆断用于抗脆断设计设计,保证机件服役安全。保证机件服役安全。（2）依据）依据TK
14、可直接或间接估计机件最低使用温度。可直接或间接估计机件最低使用温度。3-3 低温脆性低温脆性153-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素一、冶金因素一、冶金因素1.晶体结构的影响晶体结构的影响2.化学成分的影响化学成分的影响（1）间隙溶质元素）间隙溶质元素16（2）置换溶质元素）置换溶质元素3-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素17（3）杂质元素）杂质元素3.显微组织的影响显微组织的影响（1）晶粒大小）晶粒大小3-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素18（2）金相组织）金相组织在较低强度水平在较低
15、强度水平在较高强度水平在较高强度水平在相同强度水平在相同强度水平在低碳合金钢中在低碳合金钢中残余残余A的影响的影响钢中夹杂物、第二相质点钢中夹杂物、第二相质点二、外部因素二、外部因素3-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素191.温度温度3-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素202.加载速率加载速率3-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素213-3 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素素3.试样尺寸和形状试样尺寸和形状（1）试样厚度（或宽度）；）试样厚度（或宽度）；（2）试样各部分尺寸按比例增加；）试样各部分尺寸按比例增加；（3）缺口尖锐度。）缺口尖锐度。22本章完本章完23