第03章金属在冲击载荷下的力学性能精选文档.ppt

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1、第03章金属在冲击载荷下的力学性能1本讲稿第一页，共四十五页 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）应变速率 =de/d e为真应变 静拉伸试验 =10-510-2 s-1 冲击试验 =102104 s-1 一般情况下 =10-410-2 s-1，可按静载荷处理。2本讲稿第二页，共四十五页3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、冲击失效的特点（1）过程与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量 守恒法计算。（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。弹性变形的速度49

2、82m/s（声速340m/s）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度55.5m/s。3本讲稿第三页，共四十五页二、影响冲击性能的微观因素（1）位错的运动速率，滑移临界切应力，材料的冲击韧性。（2）同时开动的位错源增加。屈服强度提高得较多。（3）内部的塑性变形不均匀。塑性变形的传播速度取决于位错的运动速度及增殖速度，塑性变形的传播速度取决于位错的运动速度及增殖速度，在冲击载荷下，塑性变形来不及充分、均匀地进行；实验也在冲击载荷下，塑性变形来不及充分、均匀地进行；实验也证明：冲击载荷下塑性变形集中于某些局部区域，分布极不证明：冲击载荷下塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均匀。均匀。4本讲稿第四页，共四

3、十五页原因：冲击瞬间位错运动的应力许多位错源同时开动位错密度 派纳力滑移的临界切应力，满足条件的晶粒少。冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高5本讲稿第五页，共四十五页缺口试样在冲击载荷下的力学性能增加应变速率，抗拉强度也随之增加。6本讲稿第六页，共四十五页三、冲击断口同样也为 纤维区、放射区、剪切唇三个区。若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。即：纤维区放射区纤维区剪切唇。裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。形成纤维区。7本讲稿第七页，共四十五页3.2 冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性及其作用 1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。

4、单位，J/cm2 2、作用（1）揭示冶金缺陷的影响；（2）对s大致相同的材料，评定缺口敏感性。（3）评定低温脆性倾向。8本讲稿第八页，共四十五页二、冲击试验冲击实验机9本讲稿第九页，共四十五页摆锤5、10、15、30kg，试样尺寸551010mm，试样跨距45mm；无缺口，有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。铸铁（QT、白口铁）1102020mm，跨距70mm，无缺口。10本讲稿第十页，共四十五页冲击试样：11本讲稿第十一页，共四十五页试试样样：101055(mm)；开开有有2mm深深的的U形形或或V形形缺缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺

5、口特脆材料可不开缺口。U型缺口型缺口冲冲击击试试验验原原理理：能能量量原原则则摆摆锤锤冲冲断断试试样样前前后后所所产产生生的的能能量损失量损失AK(J)；AK=mg(H1-H2)K=AK/F F=810(mm2)12本讲稿第十二页，共四十五页冲击韧性冲击韧性K值的应用：值的应用：评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷:-冲击韧性冲击韧性K值值对其非常敏感对其非常敏感1.夹杂（渣）、气泡、带状偏析；夹杂（渣）、气泡、带状偏析；2.过过热热、过过烧烧、氧氧化化、脱脱碳碳、网网状状组组织织、粗粗大大碳碳化化物物、白白点点、回回火火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压

6、力加工后组织的各向异性等等；脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压力加工后组织的各向异性等等；对对组组织织缺缺陷陷：K最最为为敏敏感感；塑塑性性指指标标、K敏敏感感，强强度度指指标标b、S较为敏感；而弹性模量较为敏感；而弹性模量E对组织不敏感。对组织不敏感。13本讲稿第十三页，共四十五页 评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：系列冲击试验系列冲击试验1.低温系列温度冲击试验低温系列温度冲击试验：测定评价材料的测定评价材料的冷脆转变冷脆转变成成份份、热热处处理理及及压压力力加加工工工工艺艺完完全全相相同同的的试试样样分分组组分分别别在在不不同同的的温温度度T下下进进行行冲

7、冲击击韧韧性性K值值的的测测试试：测测试试温温度度范范围围由由-60(或或-80)+40，测测出出每每组组的的K值值(平平均均)，作作出出其其KT变变化化关系曲线，称为系列冲击曲线。关系曲线，称为系列冲击曲线。可可由由曲曲线线得得到到冷冷脆脆转转变变温温度度FATT（断断口口有有50%脆脆断断区区或或结结晶晶断断裂裂区）或区）或 TK14本讲稿第十四页，共四十五页2.回回火火系系列列温温度度冲冲击击试试验验：测测定定评评价价材材料料的的回火脆性回火脆性同同一一成成分分及及状状态态的的试试样样，经经淬淬火火处处理理后后分分别别在在一一系系列列不不同同的的温温度度T下下回回火火，再再在在常常温温进

8、进行行冲冲击击韧韧性性K值值的的测测试试：作作出出其其K与与回回火火T的的变变化化关关系系曲曲线线，称称为为回回火火系系列列温温度度冲冲击击曲线，找到其相应的回火脆性的温度范围。曲线，找到其相应的回火脆性的温度范围。15本讲稿第十五页，共四十五页 （2）小能量多冲击 磨球的冲击等 单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂 （3）落锤试验 模拟试验，半定量测定材料的性能。16本讲稿第十六页，共四十五页3.3 低温脆性及韧脆转变温度一、低温脆性现象 在低温下，材料的脆性急剧增加。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。FCC金属，位错宽度比较大，一般不显示低温脆性。

9、17本讲稿第十七页，共四十五页冷冷脆脆转转变变现现象象：bcc或或hcp的的金金属属及及其其合合金金，当当温温度度T低低于于某某一一温温度度TK时时，材材料料将将由由韧韧性性状状态态转转变变为为脆脆性性状状态态：其其K值值明明显显下下降降；断断口口形形貌貌特特征征由由纤纤维维状状(微微孔孔聚聚集集撕撕裂裂状状)转转变变为为结结晶晶状状(或或解解理理断断口口)。该该现现象象称称为为冷冷脆转变脆转变或或低温脆性低温脆性，TK为为冷冷(韧韧)脆转变温度脆转变温度。对对一一些些可可能能在在低低温温下下使使用用的的机机件件，其其用用材材必必须须考考虑虑冷冷脆脆转转变变的的影影响响，如如船船舶舶、桥桥梁梁

10、、压压力力容容器器、汽汽车车、航航空空航航天、坦克、工程机械等。天、坦克、工程机械等。东北动车东北动车18本讲稿第十八页，共四十五页冷脆冷脆转变转变的的物理本质物理本质:S和和c与温度与温度T的关系曲线的关系曲线S和和c均均随随着着T的的降降低低而而增增加加，但但S受受T影影响响变变化化更更大大一一些些，故故二者将会有一个交叉点二者将会有一个交叉点k：其温度：其温度T记为记为 TK -冷脆冷脆转变温度转变温度当当TTK时时，出出现现Sc的的现现象象，即即材材料料没没有有先先屈屈服服变变形形就就直直接接发生了断裂，即为脆性断裂，出现冷脆发生了断裂，即为脆性断裂，出现冷脆现象。现象。因因T的的降降

11、低低，位位错错受受“柯柯氏氏气气团团”的的影影响响而而更更不不易易开开动动，使使S增增加加，不不能能松驰应力而导致的应力的集中，促进材料的脆断倾向；松驰应力而导致的应力的集中，促进材料的脆断倾向；因因T的的降降低低，将将导导致致派派纳纳力力（位位错错运运动动的的晶晶格格阻阻力力）的的上上升升，使使位位错错更更不不易易开开动动，同同样使样使S增加。增加。而而fcc金属不出现冷脆是因为其派纳力很低。金属不出现冷脆是因为其派纳力很低。19本讲稿第十九页，共四十五页S和和c与温度与温度T的关系曲线的关系曲线（高速加载时的屈服强度（高速加载时的屈服强度S）TK -冷脆冷脆转变温度转变温度二、冷脆转变温度

12、二、冷脆转变温度韧20本讲稿第二十页，共四十五页21本讲稿第二十一页，共四十五页1.能能量量准准则则：V15TT：对夏氏对夏氏V型缺口试样：型缺口试样：AK=15英尺英尺*磅磅=20.3J(N*m)时的温度时的温度为为TK记为：记为：V15TT或或:K=0.4KMAX时时的的温温度为度为TK22本讲稿第二十二页，共四十五页2.高、低能阶准则高、低能阶准则：以以低低、高高能能阶阶所所对对应应的的温温度度定定义为义为TK，分别记为：分别记为：NDT和和FTP；以以低低高高阶阶能能的的平平均均值值所所对对应应的的温温度定义为度定义为TK，记为：记为：FTE；23本讲稿第二十三页，共四十五页3.断口形

13、貌断口形貌准则：准则：对对夏夏氏氏V型型缺缺口口试试样样，以以纤纤维维区区与与结结晶晶区区（或或放放射射区区）的的相相对对面面积积各各为为50%时时所所对对应应的的温温度定义为度定义为TK，记为：，记为：50%FATT或或FATT50注注：50%FATT与与KIC(断断裂裂韧韧性性)开开始始大大幅幅上上升升所所对对应应的的温温度度T有有较较好好的的对对应应关系。关系。以以能能量量或或断断口口组组织织来来取取TK。两两者者之之间间有有联联系。系。24本讲稿第二十四页，共四十五页TITANIC建造中的建造中的Titanic Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没的沉没与船体材料的质

14、与船体材料的质量直接有关量直接有关25本讲稿第二十五页，共四十五页Titanic Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和近代船用钢板和近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板26本讲稿第二十六页，共四十五页冲击断口分析27本讲稿第二十七页，共四十五页材料：2Cr13工艺情况：调质态，冲击试验组织说明：冲击断口与拉伸断口相似，也出现三个区，纤维区位于V型缺口一侧；放射区与纤维区相连，放射源一般位于纤维区的中部位置。剪切唇则位于试样无缺口的其余三面。图中为具有三个区的典型冲击断口形貌。若材料塑性足够好，则放射区消失。28本讲稿第二十八页

15、，共四十五页3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、材料本质因素一、材料本质因素：1.金属的晶体结构：金属的晶体结构：金属的晶体结构越复杂，对称性越差，其位错运动的派纳阻力金属的晶体结构越复杂，对称性越差，其位错运动的派纳阻力(P-N)就越高，运动就越困难；而就越高，运动就越困难；而P-N随随T的降低而大幅上升，的降低而大幅上升，故这类材料的冷脆倾向明显；故这类材料的冷脆倾向明显；fcc金属及其合金金属及其合金(Cu、Al、奥氏体不锈钢等、奥氏体不锈钢等)的的P-N很小，即使在很小，即使在很低的温度下也无冷脆现象发生；很低的温度下也无冷脆现象发生；bcc、hcp金属及其合金，工程中常用的中

16、、低强度的结构钢，均金属及其合金，工程中常用的中、低强度的结构钢，均有明显的冷脆现象。有明显的冷脆现象。29本讲稿第二十九页，共四十五页2强度：强度：中、低强度钢的冷脆转变现象明显；中、低强度钢的冷脆转变现象明显；高强度钢由于其本身强度很高，塑性差，高强度钢由于其本身强度很高，塑性差，S与与b已很已很接近，其位错移动极为困难，常规工作温度下温接近，其位错移动极为困难，常规工作温度下温度对其塑、韧性影响已经不大，或可以认为其本度对其塑、韧性影响已经不大，或可以认为其本身就是在冷脆状态下使用；此时因温度身就是在冷脆状态下使用；此时因温度T下降而下降而引起的位错运动阻力增加的作用已经很不明显了，故引

17、起的位错运动阻力增加的作用已经很不明显了，故高高强度钢的冷脆转变现象反而不明显强度钢的冷脆转变现象反而不明显。30本讲稿第三十页，共四十五页31本讲稿第三十一页，共四十五页3合金元素及杂质：合金元素及杂质：置置换换方方式式固固溶溶的的元元素素一一般般均均降降低低K值值，使使TK上上升升，并并使使冷冷脆脆转转变变区区温温度度范范围围扩扩大大(坡坡度度变变缓缓)，但但Ni及及少量的少量的Mn例外；例外；间间隙隙方方式式固固溶溶的的元元素素均均显显著著降降低低钢钢的的韧韧性性并并强强烈烈地提高其地提高其TK；杂杂质质原原子子因因在在位位错错、晶晶界界处处的的偏偏聚聚，阻阻碍碍位位错错运运动动，或或形

18、形成成第第二二相相质质点点成成为为裂裂纹纹源源，且且偏偏聚聚程程度度随随T降低而增加，表现为冷脆；降低而增加，表现为冷脆；磷磷(P)是是影影响响最最大大的的杂杂质质元元素素之之一一：P、S、As、Sn、Sb32本讲稿第三十二页，共四十五页4.晶粒尺寸：晶粒尺寸：细化晶粒使韧性上升，并使细化晶粒使韧性上升，并使TK下降；下降；细化晶粒细化晶粒：增加晶界对裂纹扩展的增加晶界对裂纹扩展的阻碍阻碍作用；作用；大大量量增增加加晶晶界界面面积积，单单位位界界面面积积所所聚聚集集杂杂质质元元素素浓浓度度降低降低；使使位位错错可可运运动动距距离离降降低低，位位错错塞塞积积数数目目下下降降且且在在各各晶粒内开动

19、数量分布均匀，晶粒内开动数量分布均匀，变形量的分布也较均匀变形量的分布也较均匀；使使软软、硬硬取取向向的的晶晶粒粒的的分分布布较较均均匀匀，使使开开动动位位错错均均匀分布，变形均匀分布，匀分布，变形均匀分布，减少了应力集中减少了应力集中。33本讲稿第三十三页，共四十五页二、外部因素1、温度 钢的“蓝脆”200300（钢的氧化色为蓝色）。C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。2、加载速率 加载速率，脆性，韧脆转变温度tk;3、试样尺寸和形状 试样增厚，tk（表面上的拉压应力最大）;带缺口脆性增加，tk。34本讲稿第三十四页，共四十五页尺尺寸寸效效应应：尺尺寸寸的的增增加加，将将会会使使得得构构件

20、件的的力力学学性性能下降。能下降。原因：原因：尺寸的增加尺寸的增加将使得缺陷出现的机率增加；将使得缺陷出现的机率增加；使应力集中程度增加；使应力集中程度增加；使使构构件件易易于于出出现现平平面面应应变变状状态态，使使其其应应力力状状态态变硬变硬(约束作用加大约束作用加大)。回想一下前面讲过的薄板和厚板的应力状态。回想一下前面讲过的薄板和厚板的应力状态。热处理时大件更易出现淬火裂纹热处理时大件更易出现淬火裂纹。35本讲稿第三十五页，共四十五页低温脆性应力状态、缺口和尺寸对应力状态、缺口和尺寸对t tk k的影响：的影响：应力为冲击载荷，且加载速率越大；应力为冲击载荷，且加载速率越大；有缺口，且缺

21、口越尖锐；有缺口，且缺口越尖锐；试样尺寸越大。试样尺寸越大。tk越大，冷脆现象越明显。越大，冷脆现象越明显。36本讲稿第三十六页，共四十五页思考题1、是不是所有材料都有冷脆现象。冷脆现象。2、韧性好的材料、韧性好的材料ak值值大大，Tk值值低。低。3、细化晶粒使韧性细化晶粒使韧性上升上升，并使，并使TK下降下降4、为什么细化晶粒可以提高韧性、为什么细化晶粒可以提高韧性5、热处理时热处理时大件大件更易出现淬火裂纹更易出现淬火裂纹6 6、光滑试样和有缺口试样拉伸断口的区别、光滑试样和有缺口试样拉伸断口的区别7 7、应变速率的单位、应变速率的单位8 8、冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高37本讲稿第

22、三十七页，共四十五页9、图示冲击断口，指出各区域的名称38本讲稿第三十八页，共四十五页10、应力为冲击载荷，且加载速率越大；应力为冲击载荷，且加载速率越大；有缺口，且缺口越尖锐；有缺口，且缺口越尖锐；试样尺寸越大。试样尺寸越大。冷脆现象越明显冷脆现象越明显39本讲稿第三十九页，共四十五页11、试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。因为焊接船连接靠电焊，焊口脆性大，比如一般用的工具，断裂一般就是焊口那，一个道理，根本原因还是焊接的时候钢铁内部发生了组织变化。铆接的就不一样了，也就是靠铆钉、螺栓来连接，它们的抗拉能力是很强的，而且有缓冲，中间有间隙。40本讲稿第四十页，共四十五页所谓的铆接

23、就是将铆钉铆钉将两种工件打孔连接的方法；而焊接就是使两种板材的接触面达到熔融状态从而连接的方法。铆接是运用拉力膨胀原理而来的，能够紧密铆接物体，采用物理方法。焊接是一种化学原理。铆接是一种古老的连接方法，早在千年前就有应用，早期舰船、坦克等等都采用了铆接原理，目前在许多行业仍然具有不可或缺的地位。焊接的强度比铆接更大，焊道更易处理平整光滑，而且可以将“焊枪导轨”或“焊件运动轨迹”自动化处理，只要针对材质、厚度调整好电流，就 能实现“自动焊”，而铆接很难做到这一点。所以随着技术进步，焊接逐渐代替了铆接技术。41本讲稿第四十一页，共四十五页但是，对于“薄”“板”连接，尤其是“不同种材质”薄板连接而

24、言，焊接还有力所不能及之处：1.焊缝边缘容易变形，“起皱”；2.焊缝容易引起应力集中；3.焊缝处相当于重新冶炼了一次金属，焊缝的硬度、脆性和很多性质都会有变化。所以并非任意两种材质都能焊接，最好是同一种材质同一种焊丝才行，否则引起两种材质互渗现象。42本讲稿第四十二页，共四十五页铆接不可拆卸，与其他连接形式相比，虽然铆接寻在种种问题，但同样也不能忽视其优势，它的工艺过程简单，连接强度稳定可靠，检查和排除故障容易，能够适应于结构复杂的各种金属和非金属材料之间的连接。在日常生产中，不光要看到焊接的优势，同时也应看见铆接的优势，在不同的情况下选择最适合的连接方式是很有必要的。罪犯的镣铐。蹲反省房。4

25、3本讲稿第四十三页，共四十五页现需检验以下材料的冲击韧性，问哪些材料要开缺口?哪些材料不要开缺口?W18Cr4V，Cr12MoV，3Cr2W8V，40CrNiMo，30CrMnSi，20CrMnTi，铸铁。第一种高速钢 不需要 第二种模具钢 不需要 第三种模具钢 不需要 第四种高强度机械零件用钢 Akv都60 绝对要缺口而且是V 第五种 结构钢 可以开U型缺口 第六种 渗碳钢 绝对要 而且是V 第七种 铸铁 不用缺口就可以断掉。答：缺口的作用是增加材料的脆性，塑性好的材料需要开缺口，而脆性大的材料则不需要开缺口。根据材料的化学成分可判断其脆性大小，通常亚共析钢脆性小，而共析钢和过共析钢脆性大。

26、因此40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi（都是亚共析钢）需要开缺口；而W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V（都是过共析钢）、铸铁不需要开缺口。44本讲稿第四十四页，共四十五页下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测的TK较高？为什么？（1）拉伸和扭转、（2）缺口静弯曲和缺口冲击弯曲、（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸答：材料的脆性越大，TK越高；同一种材料的脆性则随试验条件而定；（1）拉伸测出的TK比扭转测出的TK高，因为扭转条件下，材料容易产生塑性变形，材料的脆性小。（2）缺口冲击弯曲测出的TK比缺口静弯曲测出的TK高，因为冲击试验时，加荷速度增加使变形速度增加，结果使塑性变形受到抑制，从而使材料的脆性增加。（3）缺口试样拉伸测出的TK比光滑试样拉伸测出的TK高，因为缺口使材料的脆性增加。45本讲稿第四十五页，共四十五页