材料性能學課件：沖擊及低溫脆性 -

材料性能學PropertiesofMaterials

材料的沖擊韌性及低溫脆性

6.1沖擊韌性Impacttoughness第6章

材料的沖擊韌性及低溫脆性

*36.2低溫脆性Lowtemperaturebrittleness

*4掌握：1．測定W18Cr4V高速鋼、20鋼、灰鑄鐵、陶瓷材料、聚乙烯板的沖擊韌性，要開缺口的是

，不需開缺口的是

。2．同一材料分別采用拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗方法，測得的tk較低的是

；若試樣分別制成光滑試樣和缺口試樣，都采用拉伸試驗，測得的tk較低的是

。

*56.1沖擊韌性Impacttoughness沖擊載荷：

啟動、停止→載荷瞬間急劇變化。

*61.原理

擺錘式?jīng)_擊試驗機擺錘初始高度H，沖斷試樣后高度h，試樣變形和斷裂吸收的沖擊功為：

GH-Gh，以AK(J)表示。一、沖擊彎曲試驗金屬的沖擊韌性試驗*7沖擊韌性CM管現(xiàn)場落錘測試HFCM管落錘沖擊實驗寶碩PVC-M管快速沖擊試驗*82.試樣：高脆性材料（陶瓷、鑄鐵、工具鋼）無缺口試樣。與預制的裂紋相比？如何選？缺口試樣：U型，V型Charpy試樣。塑韌性較好的材料。*9沖擊彎曲試驗方法：簡支梁沖擊金屬材料懸臂梁沖擊高分子材料*10表盤式簡支梁沖擊試驗機液晶顯示簡支梁沖擊試驗機*11材料常規(guī)力學性能五大力學性能指標σs、σb、δ、ψ和Ak

二、沖擊韌性及其意義*12沖擊韌度Impacttoughness

：二、沖擊韌性及其意義②曾經(jīng)長期用來表示材料抵抗沖擊載荷的力學性能指標，評定材料的韌脆程度，作為安全設(shè)計指標。ak:

①表示單位面積的平均沖擊功值，是一數(shù)學平均量。FN---缺口處截面積(cm2).*13沖擊功Ak==塑變/斷裂功+空氣阻力+機身振動+軸承摩擦+試樣飛出功Ak

是否全部用于塑變/斷裂？*14③Ak不是沿缺口最小截面均勻地消耗。缺口前端應力應變集中，塑變、斷裂功主要在缺口附近。Ak

主要消耗在哪里？④沖擊功Ak：不真正代表材料的韌性程度。可表示材料變脆傾向。*15（ak）AK：代表指定溫度下，材料在缺口和沖擊載荷共同作用下的脆化趨勢和程度；主要是缺口引起了材料脆化，沖擊是次要作用，代表缺口沖擊韌性；定性參考。*16KIc與沖擊韌性ak：*17三、沖擊試驗的應用：AK：對材料成分，組織變化十分敏感，測試方法簡單。①測AK+

斷口分析→→→檢查冶金及熱處理缺陷。（氣孔、夾渣、偏析、過熱、過燒、回火脆性）柴油機連桿：圖紙規(guī)定45鋼，調(diào)質(zhì)，ak≥78J/cm2；只要材質(zhì)、成分，鍛造，熱處理工藝符合要求，即可達到ak

，否則說明材質(zhì)or工藝有問題。ak是針對治金質(zhì)量而言，球鐵的ak僅有15J/cm2，但也可滿足連桿作用要求。*18③測韌脆轉(zhuǎn)變溫度：AK—溫度T曲線

②AK衡量材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性，

特殊服役條件下的零件

（彈殼、裝甲板、石油射孔桿等）。6.2低溫脆性

lowtemperaturebrittleness

冷脆是重大事故的“兇手”“泰坦尼克號”

郵輪沉沒之謎，1912.4.操作失誤。船體設(shè)計有致命弱點，沒有考慮到在冰冷的海水里船殼會變脆，沒有使用韌度更好的鋼。*191912年英國豪華客輪泰坦尼克號沉沒原因？？材料？鋼的強度高，韌性低，脆性大。低溫脆性（冷脆性），-40℃~0℃?，F(xiàn)代鋼材冷脆溫度-70℃~-60℃。為增加鋼的強度，

添加大量硫化物，大大增加鋼的脆性。鉚釘里大量脆性玻璃狀渣粒，變脆。20*Titanic殘骸1938年3月14日清晨，比利時的哈什爾特大鐵橋在嚴寒中突然一聲巨響，斷為3截跌入河中。1940年1月19日，比利時的海倫爾斯的鋼鐵大橋在—14℃的嚴寒中突然斷成兩截。1954年冬天，英國“世界協(xié)和號”的大型油輪在低溫中斷裂沉沒。*21“挑戰(zhàn)者號”航天飛機失事1986年1月28日早晨，美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機升空73秒后爆炸；七名航天員同時遇難。挑戰(zhàn)者號航天飛機失事*236.2低溫脆性

lowtemperaturebrittleness

一、低溫脆性1、試驗方法：

系列沖擊實驗，測出一系列溫度下（低溫、室溫、高溫）的沖擊值A(chǔ)K(aK)

。全自動低溫沖擊試驗機AK—溫度T曲線*242、特點①中等韌性材料（中、低強度鋼，bcc、某些hcp，P+F兩相鋼）：tk:韌脆（冷脆）轉(zhuǎn)變溫度（σs對t、ε十分敏感）當t<tk→低溫脆性。*25②高韌性fcc金屬與合金：(Cu、Al)一般無低溫脆性（σs對t、ε不敏感）③超高強度鋼：韌脆轉(zhuǎn)變不明顯（都是脆性的）*26

二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評價韌性：材料塑變和斷裂全過程吸收能量的能力，與強度和塑性綜合作用有關(guān)。能量、強度、塑性都可表示韌性：求tk的方法有：①能量法：沖擊功Ak-t曲線；②斷口形貌法：

ductilebrittletransitiontemperature

*27（三）tk的應用：tk、δ、ψ、Ak、NSR→→→安全性能指標。1、不能直接設(shè)計構(gòu)件的承載能力和截面尺寸；2、估計構(gòu)件的最低使用溫度，to=tk+20～60℃影響同一材料的tk因素：定義方法/試樣尺寸/缺口形狀/加載速率。*28三、影響低溫脆性的因素1、晶體結(jié)構(gòu)：2、化學成分3、顯微組織4、溫度5、加載速率6、試樣形狀和尺寸內(nèi)因:外因:*291、晶體結(jié)構(gòu)：bcc、某些hcp金屬低溫脆性明顯，fcc不明顯。σc與σs隨溫度的變化不同。σc：裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應力。裂紋擴展與溫度關(guān)系不大，σc隨溫度變化小。*30σs:fcc金屬：σs隨t變化很小，→→冷脆不明顯。bcc金屬：(τP-N)σs隨t變化快。t>tk：屈服→斷裂→韌斷；

t<tk：達到σc→脆斷。*311．測定W18Cr4V高速鋼、20鋼、