第三单元,金属在冲击载荷下的力学性能,本单元导读,许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用，如汽车行驶通过道路上的凹坑，飞机起降及金属压力加工(锻造、模锻)等。为了评定金属材料传递冲击载荷的能力，揭示金属材料在冲击载荷作用下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。,温度对金属材料在冲击载荷作用下的力学行为有很大影响。温度降低到一定程度，材料将从韧性状态转变为脆性状态，存在明显的冷脆现象。 本单元主要介绍金属材料在冲击载荷下力学行为的特点、缺口试样冲击弯曲试验方法、金属冲击吸收功以及金属材料的低温脆性等。,模块一 冲击载荷和冲击韧性,一、冲击载荷,强度、硬度、塑性等力学性能指标都是金属材料在静载荷作用下的表现。金属材料在工作时还经常受到动载荷的作用，动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷(如空气锤)、随时间作周期性变化的周期载荷(如空气压缩机曲轴)和非周期变化的随机载荷。,一、冲击载荷,在很短时间内作用金属材料上的载荷称为冲击载荷。 冲床的冲头、锤锻杆、风动工具、锤子等，它们是利用冲击载荷工作的； 其它很多情况下，则要尽量避免受到冲击载荷的作用，如在轴的运转过程中、刀具的切削过程中以及汽车行驶通过凹坑、飞机起飞和降落等过程中。,冲击载荷,加载时间短，加载速率高； 有时利用，有时尽量避免或减小。 载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。,冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加，一般冲击试验时金属形变速率=102104 s-1。 提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。,二、金属材料在冲击载荷作用下的变形过程,只要是在加载速度低于声速的情况下，受冲击载荷的构件弹性变形不受影响。 而塑性变形则需要时间。当加载速度很快时，塑性变形有可能来不及发展而直接产生断裂。 金属材料在冲击载荷作用下使塑性变形过程受到限制，从而导致形变抗力的增加，造成塑性变形阶段的变形量减少，最终倾向于脆性破坏。 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。,三、冲击韧性,金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，或者说在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性，是金属材料力学性能的重要指标。 常用韧度来衡量金属材料的韧性好坏，但习惯上，韧性和韧度不加严格区分。,模块二 冲击试验,冲击试验的分类很多，从实验温度条件来分可分为高温冲击、室温冲击和低温冲击三类。 从受力形式来分，又可分为拉伸冲击、弯曲冲击、扭转冲击和剪切冲击等四类。 在弯曲冲击试验中又可分为简支梁冲击（夏比冲击试验）和悬臂梁冲击（艾氏冲击试验）。,能力知识点1 冲击试样,标准冲击试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种类型。 选择试样类型的原则应根据试验材料的产品技术条件、材料的服役状态和力学特性，一般情况下，尖锐缺口和深缺口试样适用于韧性较好的材料。,摆锤冲击试样时的速度约为每秒5米，应变速率约为103S-1。 注意：铸铁或工具钢等脆性材料，常采用无缺口冲击试样（101055mm）,如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm10mm55mm试样常用于薄板材料的检验。 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。,能力知识点2 一次摆锤冲击试验,一、原理,冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 摆锤用于冲断试样的能量K=mg（H1-H2），即为冲击吸收能量（焦耳/J）。,冲击试验机,材料冲击韧性的表示方法,冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量; Kmg（H1-H2）,材料冲击韧性的表示方法,按照国标GB/T2292007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2 ，其单位是焦耳（J）。 冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。,冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。,【小资料】GB/T 2292007与GB/T 2291994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。,二、冲击断口,冲击断口由纤维区、放射区、剪切唇三个区组成。如果试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。,1-裂纹源 2-脚跟型纤维区 3-放射区 4-二次纤维区 5-缺口 6-剪切唇,一组冲击试样的断口照片,依据断口形貌可以定性地表示金属材料的冲击韧性。 韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口上放射区全部消失，只有纤维区和剪切唇，无光泽。 脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，纤维区将不存在并补放射区代替，断口较平直、呈晶状或瓷状，有金属光泽。,缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。,三、冲击试验的应用,三、冲击试验的应用,缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。,模块三 低温脆性,一、低温脆性现象,低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。,韧性阶段,冲击波动阶段,脆性阶段,冲击韧性与温度的关系,温度,冲击功,体心立方晶格金属及其合金或某些密排六方晶格金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢(铁素体-珠光体钢)有明显的冷脆现象。 面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象，但有实验证明，在2042K的极低温度下，奥氏体钢及铝合金也有冷脆性。高强度的体心立方合金如高强度钢及逐高强度铜)在很宽温度范围内，冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。,冲击韧性与温度的关系,冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（ Tt ）。 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。 金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度（ Tt ）大约为-20，某些合金钢的韧脆转变温度（ Tt ）可达-40以下。,1912年4月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。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于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，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。,能力知识点2,金属韧脆转变温度的测定,一、低温冲击试验,在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据吸收能量、塑性变形量或断口形貌随温度的变化作出曲线，求出Tt 。 试验原理与常温冲击试验相同，只是要增设一个试样冷却装置，如低温恒温箱，也可使用广口保温瓶等。 冷却介质应无毒、安全和不腐蚀金属。它是由致冷剂和调温剂组成的。对于钢材的低温系列冲击试验，常用的致冷剂为干冰或液态氮，调温剂为酒精。,低温冲击试验大多数是人工操作。 如试样从低温箱中取出到冲断的整个时间少于2s，则试样的温度变化不大，冷却介质的温度一般不留附加过冷温度。若试样从取出到冲断的时间大于5s，则试样温度回升较多。因此，冷却介质的温度就应为规定冷却温度加上相应的过冷温度。,二、韧脆转变温度的确定,根据有关标准或双方协议，韧脆转变温度可用如下方法确定。 能量准则法（ETt） 以某一固定能量来确定韧脆转变温度。冲击吸收功一温度曲线上平台与下平台区间规定百分数(n)所对应的温度，用ETtn表示。例如冲击吸收功上下平台区间50所对应的温度记为ETt50。,能量标准:以某一固定能量来确定Tt 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义Tt 。,按断口形貌特征: 通常取结晶区占整个断口面积50的温度为Tt ，记为FATt50或50FATt（断口形貌转换温度）,3.按Tt 的高低来选择材料 （或根据材料的Tt 来判定其最低使用温度） T0 Tt +（4060）,落锤试验 落锤试验测定全厚钢板的NDT 原理：选用不同的温度进行系列试验，测出试样（厚度与实际板厚相同）开裂的最高温度（NDT）。,如试验温度低于NDT，则裂纹就可自拉伸面横穿板的宽度直至边缘，NDT是产生无塑性破坏的最高温度 。 目前NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分。,三、 影响材料韧脆转变温度的冶金因素,材料成份 随着钢中含碳量的增加，冷脆转化温度几乎呈线性地上升，且最大冲击值也急剧降低。钢的含碳量每增加0.1，冷脆转化温度升高约为13.9。钢中含碳量的影响，主要归结为珠光体增加了钢的脆性。,晶粒大小 细化晶粒一直是控制材料韧性避免脆断的主要手段。理论与实验均得出冷脆转化温度与晶粒大小有定量关系。,显微组织 在给定强度下，钢的冷脆转化温度决定于转变产物。 就钢中各种组织来说，珠光体有最高的脆化温度，按照脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，铁素体，下贝氏体和回火马氏体。,除了材质因素外，材料的Tt 还受试样尺寸和形状、加载速率等外部因素影响。 1）试样尺寸增加，应力状态变硬，脆性增大；缺口尖锐度增加， Tt 也显著升高。 2）提高加载速率使材料脆性增大， Tt 升高。（一般中、低强度钢的Tt对加载速率比较敏感，而高强度钢、超高强度钢则较小）,本章小结,1.评定加载速率和缺口效应对材料韧性的影响，需要进行缺口冲击试验来测定材料的冲击韧性。冲击韧性是指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功表示。工程技术上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抗冲击载荷的能力。,2.随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象称为低温脆性。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与温度关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线，以及试样断裂后塑性变形量和温度的关系曲线，根据这些曲线即可求出冷脆转变温度。,3.影响冲击韧性和冷脆转变温度的因素有化学成分、晶粒尺寸、显微组织等材质因素以及试样尺寸、形状、加载速率等外部因素。,