工程材料力学性能第三章.ppt

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1、第一节冲击载荷下金属变形和断裂特点第二节冲击弯曲和冲击韧性第三节低温脆性第四节影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素第三章金属在冲击载荷下的力学性能第一节冲击载荷下金属变形和断裂一、加载速率及变形速率的概念加载速率：载荷施加于机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。形变速率：单位时间内的变形量（绝对形变速率和相对形变速率）相对形变速率：相对形变速率即应变速率，单位时间内应变的变化量。静拉伸10-5－10-2s-1冲击试验102－104s-1当>10-2s-1时，金属力学性能将发生明显变化。二、冲击载荷下金属变形和断裂的特点1、冲击载荷下，机件的失

2、效同样表现为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。2、冲击载荷下，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。3、金属材料在冲击载荷下塑性变形难于充分进行，且塑性变形极不均匀，故使强度提高，且σs比σb提高得多。4、材料塑性和应变率之间无单值对应关系一般应变速率上升，塑性下降，但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性。5、塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关材料正断：断裂应力变化不大，塑性下降；材料切断：断裂应力上升，塑性不变或提高。第二节冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性的涵义冲击韧性－材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。

3、常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。二、缺口试样冲击试验原理冲击吸收功：Ak=mgH1－mgH2注意：缺口位于冲击相背方向。三、冲击试验试样冲击试验试样四、Ak值的意义的讨论为什么Ak并不能真正反映材料的韧脆程度？1、Ak并不能代表试样断裂前吸收的总能量。因为，Ak＝试样变形断裂吸收的能量+试样掷出功+机身振动功＋空气阻力+……；2、Ak相同的材料，其韧性不一定相同；3、Ak相同的材料，其断裂功并不一定相同。断裂功的大小决定了断裂类型，因而有人建议以断裂功AP来表征韧性。用“示波冲击方法”测定冲击力－位移(挠度)曲线曲线所包围的面积，表示试样冲断时

4、所吸收的总功AK；裂纹形成功A1，它主要消耗于试样的弹性变形、塑性变形以及裂纹形成；裂纹扩展功AP，它主要消耗于裂纹前沿微观塑性变形及裂纹扩展。冲击实验机冲击试验的不足是其冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，但它对材料组织十分敏感，且试验简便易行，故仍被广泛应用。1、评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示冶金缺陷，检查锻造或热处理缺陷。2、根据系列冲击试验（低温冲击试验），可得Ak与温度关系曲线，测定材料的韧脆转变温度，据此可以评定材料的低温脆性倾向。五、冲击试验的应用第三节低温脆性

5、一、低温脆性现象体心立方金属及合金、某些密排六方金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。实际上由于材料化学成分的统计性，韧脆转变温度不是一个温度，而是一个温度区间。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的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，冲击试样是典型的脆性断口

6、。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。在－2℃的海水中，泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸收能仅有4焦耳。同样温度下，现代钢板纵向试验中吸收能为325焦耳，横向试验中吸收能为100焦耳。下图是建造中的Titanic号。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。二、韧脆转变的物理本质断裂强度σc随温度的变化较

7、小，而屈服强度σs对温度十分敏感，随温度降低，屈服强度升高，两者的交点tk即为韧脆转变温度。T＞Tk,σc＞σs先屈服再断裂韧性断裂T＜Tk,σc＜σs先达到σc脆性断裂三、系列温度冲击试验评定材料低温脆性的最简便的试验方法是系列温度冲击试验。该试验采用标准夏比冲击试样，在从高温（通常为室温）到低温的一系列温度下进行冲击试验，测定材料冲击功随温度的变化规律，揭示材料的低温脆性倾向。四、韧脆转变温度的评定1、能量准则以低阶能开始上升的温度定义为tk，记为NDT，称无塑性或零塑性转变温度。无预先塑性变形断裂对应的温度，最易确定tk的准则。在NDT以下

8、，断口由100%结晶区组成。以高阶能对应的温度定义为tk，记为FTP。最保守的定义tk的方法。在FTP以上，100%纤维状断口。以低阶能