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1、1,主讲人:张宁,2,一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点二、冲击弯曲和冲击韧性三、低温脆性四、影响韧脆转变温度的冶金因素,第三章 金属在冲击载荷下的力学性能,3,为了评定材料传递冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验加载速率定义：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来表示本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点，主要讨论缺口试样冲击弯曲试验方法和金属材料的低温脆性。,第三章 金属在冲击载荷下的力学性能,4,冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、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
2、性力的大小。由于冲击过程持续时间短，测不准确，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。,第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,5,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。这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高。,第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,6,第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,7,冲击韧性的定义：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，用标准试样的冲击吸收功Ak表示。,第二节
3、冲击弯曲和冲击韧性,8,试验在摆锤式冲击试验机上进行。试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为J。,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,9,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,对于冲击试样，我国过去和前苏联都采用梅氏试样，美国和日本等过则采用夏氏试样。现在我国国家标准则融合梅氏和夏氏两种类型为一体，分别成为夏比（Charpy）U形缺口试样和夏比V形缺口试样。用不同
4、缺口试样测得的冲击吸收功分别记为Aku和AKV。,10,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,测量铁球或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用10mm10mm55mm的无缺口冲击试样。,11,冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆程度：,这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的Ak值相差10-30%。,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,12,冲击弯曲试验的主要用途有两点：,(1)控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。
5、通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析，可揭示原料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。(2)根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,13,13,冲击韧性的应用：经验数据，参考价值举例：调质处理的45钢Ak78J/cm2，而球墨铸铁Ak15J/cm2。单纯从数值上看，球墨铸铁冲击韧性值远小于45钢。然而它们都具有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料使用。AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指标，具有“不可设计性”。只能作为经验数据使用。,14,14,冲击断裂过程,
6、PGY之前，弹性变形PGY后，塑性变形；载荷增大到Pmax，塑性变形区逐渐扩展到整个缺口面（塑性区为图中红色虚线和缺口面之间面积）；在Pmax附近，应力最大点位于红色虚线上；因此在此处产生裂纹；随后裂纹向前和向后同时扩展；扩展机制是微孔聚集型，形成图中“脚跟形纤维状区”；此过程中材料承载面积减小，载荷逐渐下降到PF。,PGY,Pmax,PF,PD,位移,载荷,15,15,载荷达到PF后，裂纹迅速以解理断裂方式快速扩展，在材料中形成“放射形结晶状区”；这时材料承载面积迅速减小，载荷也迅速降低到PD。载荷达到PD后，裂纹扩展到样品边缘，产生平面应力状态，形成剪切唇区。,PGY,Pmax,PF,PD
7、,位移,载荷,冲击断裂过程,16,16,冲击断口包含纤维区、放射区、剪切唇三个区。若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区：即：纤维区1放射区纤维区2剪切唇纤维区2（红色区域）形成原因：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，裂纹扩展速度再次减小，最终形成纤维区2。,冲击断口,冲击断口形貌示意图,17,一、低温脆性现象定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk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变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温
8、脆性。,第三节 低温脆性,18,珠光体的定义：,当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。也就是说这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失，如果出现则两者同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。基于以上原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看，命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。所以碳含量正好为0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织结构是珠光体。,第三节 低温脆性,19,低温脆性现象,对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。低温脆性实质为温度下降，屈服强度急剧增加。
9、F.C.C金属，一般不显示低温脆性。如低碳钢为体心立方金属，有低温脆性；而奥氏体钢为面心立方金属，无低温脆性。,第三节 低温脆性,20,1912年当年最为豪华、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。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国科学大众（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是What Really Sank The Titanic,付标题是“为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。由于早年
10、的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，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果,第三节 低温脆性,21,右图是建造中的Titanic 号。Gannon 的文章指出，在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。,建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长的
11、焊缝,第三节 低温脆性,22,挑战者号失事了！爆炸后的碎片在发射东南方30km处散落了1h之久，价值12亿美元的航天飞机，顷刻化为乌有，7名机组人员全部遇难。全世界为此震惊。事故原因最终查明：起因是助推器两个部件之间的接头因为低温变脆破损（在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度应为4090F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于3199F的范围。），喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸造成的。,第三节 低温脆性,0=32 F 37=98.6 F,23,低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。见右图，屈服点随着温度
12、的下降而升高，但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小，两线交点对应的温度就是tk。,第三节 低温脆性,24,二、韧脆转变温度,在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功温度曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线，试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等，根据这些曲线来求得tk。,第三节 低温脆性,25,1.按能量定义tk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变化，形成一个平台，该能量称为“低阶能”。(2)高于某一温度时，材料吸收的温度基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE（Fracture
13、 Transition Elastic）。,第三节 低温脆性,26,2.按断口形貌定义tk的方法,冲击试样冲断后，断口形貌见下图：,试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk，记为50%FATT或FATT50、t50。,第三节 低温脆性,27,韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备
14、，也就是说具有一定的值，=t0-tk。,第三节 低温脆性,28,同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），tk也要变化，所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工况之间无直接联系，所以不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂。,第三节 低温脆性,29,三、落锤试验和断裂分析图,50年代初，美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。,第三节 低温脆性,30,落锤试验机示意图,落锤试验机由垂直导轨（支持重锤）、能自由下落的重锤和砧座等组成，见右图。重锤
15、锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度，以获得340-1650J的能量。砧座上除了两端的支承块外，中心部分还有一个挠度终止块，以限制试样产生过大的塑性变形。,第三节 低温脆性,31,落锤试验机实物图,TLC-300落锤冲击试验机适用于热塑性塑料管材、管件和硬质塑料板材的耐冲击试验。最大冲击能量 300J最大冲击高度 2m 标尺误差 落锤组合质量 最大组合质量15KG 0.1%冲头规格：A R=10mmB R=20mC R=5mmBB R=30mm冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm电动提升机构 最大提升力20kgf牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf管材V型托
16、板 20030025mm3试样尺寸 直径20-400mm,TLC-300落锤冲击试验机,第三节 低温脆性,32,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。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：没有出现裂纹拉伸侧表面形成裂纹，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。,第三节 低温脆性,33,零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分，例如：,(1)NDT设计标准(2)NDT+33设计标准(3)NDT+67设计标准,第三节 低温脆性,34,落锤试验的缺点：,(1)不能定量评定脆性断裂(2)未考虑板厚的
17、影响,第三节 低温脆性,35,一、晶体结构 二、化学成分 三、显微组织,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,36,一、晶体结构,体心立方金属及其合金存在低温脆性。低碳钢冷脆明显，高碳钢冷脆不明显。,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,37,二、化学成分,间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，导致屈服强度的升高，钢的韧脆转变温度升高。,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,38,三、显微组织,（一）晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,39,细化晶粒提高韧性的原因：,(1)晶界是裂纹扩展的阻力；(2)晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集
18、中；(3)晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,40,（二）金相组织,较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功Ak与tk以马氏体高温回火（回火索氏体）最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。球化处理可改善钢的韧性。,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,41,马氏体：是将钢加热至奥氏体后快速淬火形成的高硬度针片状组织，为纪念冶金学家Martens而命名。马氏体相变的主要特点是是无扩散过程，以类似于孪生的切变方式形成亚稳态的新相。不仅在钢中，在其它一些合金系以及纯金属和陶瓷材料中都可有马氏体相变，所以目前马氏体的含义相当广泛。贝氏体：是对钢中过冷奥氏体在中温范围转变成的亚稳产物而称的，其形貌与形成温度有关，在较高温度形成时呈羽毛状，温度低时则呈针状，前者称为上贝氏体，后者称为下贝氏体。,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,42,在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则Ak与tk优于同强度的淬火回火组织。相同强度水平下，典型上贝氏体的tk优于下贝氏体。在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降，tk升高。,第四节 影响韧脆转变温度的冶金因素,
