工程材料力学性能第三章.ppt
工程材料力学性能第三章现在学习的是第1页，共32页前言前言静载:受的应力取决于载荷和零件的最小断面积。冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、形状和体积有关。冲击载荷和静载荷的主要区别在于加载速率不同。加载速率：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。增长率=d/dt表示，单位为MPas现在学习的是第2页，共32页v形变速率：单位时间内的变形量。v变形量:绝对变形量、相对变形量v形变速率：绝对形变速率、相对形变速率，后者应用较为广泛。v绝对变形速率以单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt，单位为ms。v相对形变速率即应变率，是单位时间内应变的变化量，v =d/dt，单位为s-1。现在学习的是第3页，共32页v实践表明：应变率在104一102S-1，金属力学性能变化不大，按静载荷处理;v当应变率大于102S-1时，力学性能显著变化.v冲击力学性能试验方法揭示金属材料冲击时的脆断趋势现在学习的是第4页，共32页现在学习的是第5页，共32页本章主要内容：v 介绍金属材料在冲击载荷下力学行为的特点;v 讨论缺口试样冲击弯曲试验方法;v 了解金属材料的低温脆性。现在学习的是第6页，共32页第一节第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下金属变形和断裂的特点v冲击载荷下的失效类型：过量弹性变形、过量冲击载荷下的失效类型：过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。塑性变形和断裂。v一一 弹性变形：应变率对金属材料的弹性行为及弹性变形：应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。弹性模量没有影响。v弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械冲击时的绝对变形速率在103ms以下。在弹性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率对金属的弹性性能没有影响。现在学习的是第7页，共32页v二二 塑性变形塑性变形:应变率对塑性变形、断裂及有应变率对塑性变形、断裂及有关的力学性能却有显著影响。关的力学性能却有显著影响。v塑性变形：金属材料在冲击载荷作用下塑性塑性变形：金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。变形难于充分进行。v塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑性变形不能充分进行。现在学习的是第8页，共32页v1冲击载荷下，瞬时位错上高应力，位错运动速率增加,派纳力增大，滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。v 2冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展。v 3冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程平均长度，增加点缺陷浓度。v 4在静载荷下，塑性变形比较均匀地分布在各个晶粒中，冲击载荷下，塑性变形则比较集中在某些局部区域，塑性变形是极不均匀的。v不均匀的情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强度(和流变应力)、抗拉强度提高，且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。现在学习的是第9页，共32页v三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的强度关系随温度的增加而增加。图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响现在学习的是第10页，共32页第二节 冲击弯曲和冲击韧性 v不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的；零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的应力和应变也愈小。v含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多的能量，使局部应变和应变速率大为升高。另一个特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑性。v因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力学性能。现在学习的是第11页，共32页v三个材料脆化因素：缺口、低温、髙应变速率。v缺口是主要因素。一 缺口试样冲击弯曲试验原理v摆锤式冲击试验机：应变速率可达103S-1 v综合缺口低温高应变速率，这三个因素对材料脆化的影响 v使材料韧性状态脆性状态，比较材料因成分、组织的改变产生的脆断倾向。现在学习的是第12页，共32页缺口试样的形状有两种v梅氏（中国和苏联过去用）v夏氏（美国和日本）我国现行标准：v夏氏U型：冲击功AKUv夏氏V型，冲击功AKvv注意：不同的试验条件，不能对比。现在学习的是第13页，共32页1.摆锤冲断试样失去的位能Ak=GH1GH2，v 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单位为J。v冲击韧性：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，常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。v2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度,部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。现在学习的是第14页，共32页二 冲击韧性Ak:v1.Ak无明确的物理意义。Ak除以缺口处的截面积，表示单位面积的平均值，变成了纯粹的数学量。v2.Ak相同的材料，韧性并不相同。v3.Ak作为承受大能量冲击抗力指标或用来评定构件寿命与可靠性的结构性能指标。现在学习的是第15页，共32页三.冲击弯曲试验主要用途 优点：测量迅速简便，所以冲击韧性 AK列为五大指 标之一。功用：v1.通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，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。v注意：不是服役性能指标，如规定Ak15J/2，对柴油机的连杆的要求热处理工艺和冶金质量是否正常提出的问题，Ak15J/2，仍可使用。现在学习的是第16页，共32页2.根据低温冲击试验可得Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准是和材料的具体服役条件相联系的。v冷脆：指材料因温度的降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。现在学习的是第17页，共32页3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值：4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。现在学习的是第18页，共32页第三节 低温脆性一、低温脆性低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、Mo和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低到零而变为脆性状态。从现象上看，是屈服强度随温度降低而急剧增加的结果 v倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，sc，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的；而在Tc以上，sc，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。低温脆性对压力容器桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件是非常重要的.韧脆转化温度是一个温度区间。现在学习的是第19页，共32页v工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度冷脆转化温度，在此温度以上只要名义应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。在冷脆转化温度的确定标准一旦建立之后，实际上是按照冷脆转化温度的高低来选择材料。如图如图 按冷脆转化温度按冷脆转化温度选材选材v（选（选B)B)现在学习的是第20页，共32页二、韧脆转化温度v评定的标准三种类型：比较材料的脆断倾向或选材时，注意使用同一种标准。v1)能量标准 v2)断面形貌特征 50纤维 v3)断口的变形特征 意义：tK是一个韧性指标，从韧性角度选材的依据。现在学习的是第21页，共32页实验方法：测定韧-脆转化温度，将试件冷却到不同的温度测定冲击功AK、断口形貌特征与温度的关系曲线，然后按一定的方法确定韧脆转化温度。1、能量法现在学习的是第22页，共32页(1)上平台所对应的能量称为高阶能，下平台所对应的能量称为低阶能。将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度，记NDT(Nil Ductility Temperature)称为零塑性温度。在NDT以下，试件的断口为100的结晶状断。(2)将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。记为FTP(Fracture Transition Plastic)当温度高于FTP，试件的断口为100的纤维状断口。(3)高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化温度，记为FTE(Fracture Transition Elastic)。现在学习的是第23页，共32页v2断口形貌 法v断口上有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇。v在不同的温度下，三个区相对面积不同:结晶区面积百分比的增大,表示材料变脆。v通常取结晶状断口面积占50时的温度为韧脆转化温度，记为50FATT现在学习的是第24页，共32页三 tK意义 v1 tK是一个韧性指标，反应了温度对韧脆性的影响；v2 tK是安全性指标，从韧性角度选材的依据之一，抗脆断设计，保证机件安全，但不能直接用来设计承载能力和尺寸；v3 根据tK可以估计构件最低使用温度。现在学习的是第25页，共32页韧性的温度储备:在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧-脆转化温度。这是韧性的温度储备。v韧性温度储备的大小取决于机件的重要程度。对于最重要的零件，其工作温度不应低于NDT+67。4 tK随材料、定义方法外界条件的变化而变化。现在学习的是第26页，共32页第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、内因1.材料成分 v晶体结构b.c.c存在低温脆性 普通中、低强度钢的基体是b.c.c铁素体；f.c.c一般不存在低温脆性 v 成分：含碳量 对钢的韧-脆转变温度的影响现在学习的是第27页，共32页如图：含碳量增加，冷脆转化温度线性上升，最大冲击值急剧下降。间隙溶质元素含量tK,置换型溶质元素影响不明显Mn%tKNi%tKSPtK现在学习的是第28页，共32页2.细化晶粒v细化晶粒，使韧性v派奇方程描述现在学习的是第29页，共32页原因：晶界是裂纹扩展的阻力，晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中，晶界总面积增加，使晶界上的杂质浓度下降，避免产生沿晶脆性断裂.v冷脆转化温度和晶粒尺寸的关系 现在学习的是第30页，共32页3.金相组织钢的冷脆转化温度决定于转变产物 v 在较低温度下，脆化温度由高到低依次顺序为 现在学习的是第31页，共32页二、外部因素v1温度v结构钢在某些温度范围内，冲击吸收功急剧下降。现在学习的是第32页，共32页
