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1、1,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。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度。加载速率是指载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。但通常用形变速率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（应变速率）,第三章 金属在冲击载荷下的力学性能,静拉伸试验 10-510-2 s-1 冲击试验 102104 s-1 一般情况下，10-410-2 s-1，材料性能没有明显的变化，可按静载荷处理。但 10-2 s-1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。,应变速率,e为真应
2、变,2,第一节 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，也将同样产生弹性变形、塑性变形以及断裂。,提高强度，降低塑性。因为：1)位错的运动速率，滑移临界切应力，金属产生附加强化。2)同时开动的位错源增加。屈服强度提高得较多。3)内部的塑性变形不均匀。,弹性变形,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度4982m/s。而普通摆锤冲击试验的绝对变形速度55.5m/s。,塑性变形,3,断裂,第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,降低塑性和韧性。而最后的断裂应力与断裂的方式有关。,在大多数情况下，缺
3、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形就是如此。,4,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,冲击韧性,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能力。,冲击试验原理,摆锤式冲击试验机上进行的。mgH1-mgH2=Ak，冲击吸收功。，单位J。,5,冲击试验机,冲击试验录像,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,6,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,标准试样,U形缺口或V形缺口试样，分别称为夏比U形或V形缺口冲击试样。对应的冲击功记为：Aku或Akv。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。测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收
4、功，常采用 10mm10mm55mm的无缺口冲击试样。,7,1）控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量，即将Ak值作为质量控制指标使用。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值与温度的关系曲线，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。,冲击弯曲试验的主要用途,第二节 冲击弯曲和冲击韧性,8,一、低温脆性现象 在试验温度低于某一温度tK时，材
5、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，断口特征由纤维状变为结晶状的断裂现象，称为低温脆性，也称为冷脆或韧脆转变。对应的转变温度tK称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。bcc晶体金属及合金或某些hcp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。而fcc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产生低温脆性。,第三节 低温脆性,9,材料屈服强度随温度降低急剧增加，即屈服点s的变化随温度下降而升高，但材料的解理断裂强度c却随温度变化很小。,高于tk时，cs，材料
6、受载后先发生塑性变形，随外力的不断增加，塑性变形量不断增大，最后断裂，为韧性断裂；低于tk时，外加应力先达到c，但还不会断裂，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，表现为脆性断裂。,低温脆性的物理本质分析,第三节 低温脆性,10,体心立方 面心立方 密排六方 bcc fcc hcp,晶格结构,11,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区。即：纤维区放射区纤维区剪切唇。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。形成纤维区。,冲击试样的宏观断口形貌,第三节 低温脆性,如同拉伸试样一样也为 纤维区、放射区、剪切唇三
7、个区。,12,二、韧脆转变温度,第三节 低温脆性,13,从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度tk是温度区间，而不是固定的某一个温度tk，这个区域的确定目前尚无简单的判据，通常根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义tk。（1）FTP（Fracture Transition Plastic):得到100%纤维状断口的温度（偏于保守），有时该测定不可能实现（2）NDT（Nil Ductility Temperature）: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，冲击断口为100%脆断口，解理断口）（3）FTE（Fracture Temperature E
8、lastic）:低价能和高阶能的平均值所对应的温度。,第三节 低温脆性,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面积50%时的温度定义的tk。,14,第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。fcc 不存在低温脆性。因为：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能，韧性。形成柯氏气团，韧性。,一、晶体学结构,二、冶金因素,（1）溶质元素 间隙原子，使韧性；置换式溶质，对韧性影响不明显；杂质元素S、P、As、Sn、Sb 使韧性。（2）显微组织 a）晶粒大小 b）金相组织：回火索氏体贝氏体珠光体，韧性。第二相（大小、形态、数量、分布）。,15,（1）温度 钢的“蓝脆”525550（钢的氧化色为蓝色）。原因为：C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。一般地，温度，脆性，韧脆转变温度tk。（2）加载速率 加载速率，脆性，韧脆转变温度tk。（3）应力状态、试样尺寸和形状 开缺口，应力状态，脆性，韧脆转变温度tk;试样增厚，tk（表面上的拉压应力最大）。,第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,三、外部因素,使材料变脆的三个因素：,16,本章完,
