《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

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(shí)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(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量）。 許多機(jī)件在實(shí)際服役時(shí)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(jī)起飛和降落，金屬壓力加工（鍛造等）。 實(shí)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(dāng)應(yīng)變力大于10-2S-1時(shí)，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(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)。,第一節(jié) 沖擊載荷下金屬變形和斷裂

2、的特點(diǎn) （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(shí)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(yùn)動自由行程增加點(diǎn)缺陷濃度等。導(dǎo)致強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功AK表示。,2.試驗(yàn)原理：,3.沖擊彎曲試驗(yàn)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(jī)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(kuò)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(yàn)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(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）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(shí)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(yàn)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(yùn)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(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度受溫度影響大；斷裂強(qiáng)度受溫度影響小（主要與裂紋擴(kuò)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(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)，因此在特定條件下，能量、強(qiáng)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(yàn)。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(dāng)?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(dāng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定認(rèn)定

7、。 NDT,FTE,FATT50,與塑性指標(biāo)，沖擊韌性指標(biāo)同屬安全性指標(biāo)。,三 落錘試驗(yàn)與斷裂分析圖 普通的沖擊彎曲試樣尺寸過小，不能反映實(shí)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(yàn)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(jìn)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(shí)的最高溫度為NDT.,目前，NDT已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分，如： （1）NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 保證承載時(shí)鋼的NDT低于工作溫度，此時(shí)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(jì)標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)。 （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(biāo)準(zhǔn)。,落錘試驗(yàn)法的缺點(diǎn)：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(yàn)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(qiáng)度鋼構(gòu)件在溫度、缺