《工程材料物理性能(第2版)》 第03章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能.ppt_第1頁
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文檔簡介

1、第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能,前言: 沖擊載荷靜載荷的主要區(qū)別:加載速率不同。 形變速率(單位時間內(nèi)的變形量)可間接地反映出加載速率的變化。 相對形變速率又稱為應(yīng)變率(單位時間內(nèi)應(yīng)變的變化量)。 許多機件在實際服役時受沖擊載荷的作用(如汽車行駛通過道路上的凹坑、急剎車,飛機起飛和降落,金屬壓力加工(鍛造等)。 實踐表明:應(yīng)變率在10-4 10-2S-1內(nèi),金屬力學(xué)性能沒有明顯的變化,可按靜載荷處理。當應(yīng)變力大于10-2S-1時,金屬力學(xué)性能將發(fā)生顯著變化。為了評定金屬材料傳遞沖擊載荷的能力,揭示材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為,需要進行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗。,第一節(jié) 沖擊載荷下金屬變形和斷裂

2、的特點 (作圖P70,圖3-1)沖擊載荷下,塑性變形集中在某些局部區(qū)域,極不均勻。 沖擊載荷下:應(yīng)力水平較高,許多位錯源同時啟動,抑制易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展;增加位錯密度,減少位錯運動自由行程增加點缺陷濃度等。導(dǎo)致強度提高。 塑性與韌性隨應(yīng)變率增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)。正斷:減少;剪斷:不變或提高。,第二節(jié) 沖擊彎曲和沖擊韌性 1.沖擊韌性:指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和功的能力。常用標準試樣的沖擊吸收功AK表示。,2.試驗原理:,3.沖擊彎曲試驗主要用途: (沖擊吸收功AK的大小不能真正反映材料的韌脆性程度。原因是缺口試樣沖擊吸收的功沒有完全用于試樣變形和破斷,其中有一部分功消

3、耗于試樣擲出、機身振動空氣阻力等。此外,根據(jù)斷裂理論,斷裂類型取決于裂紋擴展過程中所消耗的功(斷裂功),消耗的功大,則斷裂表現(xiàn)為韌性,反之則為脆性。但AK值相同的材料,斷裂功并不一定相同)。,由于AK對材料內(nèi)部的組織變化十分敏感,且試驗方法簡便,所以仍被廣泛采用。主要用途有: (1)反映材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。 (2)根據(jù)系列沖擊試驗(低溫沖擊試驗)可得出AK與溫度的關(guān)系曲線,測定材料的韌、脆性轉(zhuǎn)變溫度。 (3)對于S大致相同的材料,根據(jù)AK值可以評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性。,第三節(jié) 低溫脆性 1.低溫脆性現(xiàn)象 (1)現(xiàn)象:體心立方與某些密排六方金屬、合金中常見。 (2)

4、實踐中有三種不同的沖擊吸收功-溫度關(guān)系曲線。 第一類:很低溫度下韌性仍比較高;面心立方金屬與合金,如銅、鋁等。 第二類:在很寬的試驗溫度下都呈現(xiàn)脆性,如高碳馬氏體鋼。 第三類:在一定溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生低溫脆性轉(zhuǎn)變,如體心立方與某些密排六方金屬、合金中常見。,(3)原因:溫度影響位錯在晶體中運動的磨擦 阻力,降低溫度,阻力上升。材料變脆。 (圖3-5,P73) 兩個強度指標:屈服強度受溫度影響大;斷裂強度受溫度影響?。ㄖ饕c裂紋擴展有關(guān))。,2.韌脆轉(zhuǎn)變溫度tR 韌性是金屬材料塑性變形和斷裂全過程吸收能量的能力,是強度與塑性的綜合表現(xiàn),因此在特定條件下,能量、強度和塑性都可用于表示韌性。 目前尚無簡

5、單的判據(jù)求韌脆轉(zhuǎn)變溫度tR 通常根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來定義。 方法:不同溫度下作沖擊彎曲試驗。得出沖擊功-溫度曲線;斷口形貌中各區(qū)所占面積-溫度曲線;塑性變形量-溫度曲線等。,3.根據(jù)能量判據(jù)與斷口形貌判據(jù)定義tR的方法:圖3-6 P73 低階能當?shù)陀谀骋粶囟?,材料吸收的沖擊能量基本不隨溫度而變化,形成一平臺,該能量稱為低階能。 高階能當高于某一溫度,材料吸收的沖擊能量基本不隨溫度而變化,形成一平臺,該能量稱為高階能。,(1)以“低階能”開始上升的溫度定義為tR (記為NDT,Nil Ductility Temperature)稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。(這是無預(yù)先塑性變

6、形斷裂對應(yīng)的溫度,在NDT以下,斷口由100%的結(jié)晶區(qū)組成。 (2)以“高階能”對應(yīng)的溫度為tR (記為FTP, Fracture Transition Plastoc)高于FTP下的斷裂,將得到100%纖維狀斷口(零解理斷口)。 (3)以低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度定義tR。 (記為FTE, Fracture Transition Elastic),(4)斷口形貌判據(jù): 通常以結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50%時的溫度定義為tR 記為50%FATT,(Fracture Appearance Transition Temperature)或FATT50 或t50 斷口上各區(qū)面積按國家標準規(guī)定認定

7、。 NDT,FTE,FATT50,與塑性指標,沖擊韌性指標同屬安全性指標。,三 落錘試驗與斷裂分析圖 普通的沖擊彎曲試樣尺寸過小,不能反映實際構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài),而且結(jié)果分散性大,不能滿足一些特殊要求。50年代初,美國海軍研究所Pellini等人提出落錘試驗方法。,試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上,使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè),然后落下重錘進行打擊。隨試樣溫度下降,其力學(xué)行為發(fā)生如下變化。 1.不裂; 2.拉伸側(cè)表面部分形成裂紋,但末發(fā)展到邊緣; 3.拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊; 4.試樣斷成兩部分。 一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊時的最高溫度為NDT.,目前,NDT已成為低強度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計根據(jù)的一部分,如: (1)NDT設(shè)計標準 保證承載時鋼的NDT低于工作溫度,此時在高應(yīng)力區(qū)的小裂紋處不會造成脆性斷裂; (2) NDT+33設(shè)計標準 對結(jié)構(gòu)鋼而言NDT+33約為FTE,適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標準。 (3) NDT+67適用于全塑性斷裂,在塑性超載條件下,仍能保證最大限度的抗斷能力,適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標準。,落錘試驗法的缺點:對脆性斷裂不能定量評定。沒有考慮板厚的影響。 通過落錘式試驗求得的NDT可以建立斷裂分析圖FAD. 分析圖FAD是應(yīng)力、缺陷和溫度之間關(guān)系的綜合圖。它可以明確提供低強度鋼構(gòu)件在溫度、缺

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