材料力学性能-6-材料的抗冲击性能.pdf

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1、6、材料的抗冲击性能许多机器零件在实际工作中要受到冲击载荷的作用，如冲床、锻锤等，冲击载荷属于动态载荷，而且，温度降低和加载速度提高都会增加材料的脆断倾向。本章主要讨论冲击载荷作用下材料的性能评定和冷脆倾向及其影响因素。6.2冲击试验和冲击韧性缺口、低温和高应变率是影响材料脆化的三个因素，可使材料由原来的韧性断裂状态变为脆性断裂状态。在影响材料脆化的这三个因素中，缺口所造成的脆化是最重要的。对于韧性好的材料，即使温度降至很低，也难以产生脆性断裂，且冲击造成高应变率产生的脆化作用也很有限。故冲击试验采用缺

2、口试样。冲击弯曲试验标准试样是U型或V型缺口，分别称为夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样。冲击试验原理试验在摆锤式冲击试验机上进行。将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。试验时，将具有一定质量的摆锤抬起至一定高度H1，使其获得一定的势能，然后将摆锤放下，在摆锤下落至最低位置处将试样冲断，之后摆锤升值高度H2。摆锤在冲断试样时所做的功称为冲击吸收功：缺口试样冲击弯曲试验原理A=G(H−H)K12同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不可比的。冲击韧性α

3、：k冲击吸收功A除以缺口底部净横截面积S：kNα=AS/KKN2αk的单位为Jcm/注：A的单位为N·M(J)。k冲击吸收功的意义•冲击实验中，冲断试样所吸收的冲击吸收功是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总功。（忽略试样掷出、机身振动、空气阻力等）•由冲断过程中所耗的功由三部分组成：弹性功、塑性功、撕裂功（裂纹扩展功）•对不同材料，其冲击吸收功可以相同，但它们的弹性功、塑性功和撕裂功却可能差异很大。显然，冲击吸收功的大小难以真实反映材料的韧性性质。•若弹性功所占比例很大，塑性功比例很小，撕裂功几乎为零，则

4、表明材料断裂前塑性变形小，裂纹一旦形成便立即扩展直至断裂，断口必然呈放射状甚至结晶状的脆性断口。•若塑性功占比例很大，裂纹扩展的撕裂功也大，则断口则是以呈纤维状为主的韧性断口。•因此，A值的大小并不能直接反映材料的k韧或脆的性质，只有其中的塑性功，特别是撕裂功的大小才显示材料的韧性本质。冲击实验的应用•冲击试验采用了缺口试样，在缺口根部由于三向应力的形成，使所处的应力状态变“硬”，加之冲击加载在缺口根部形成很高的应变速率，这些作用提高了材料的脆化倾向，而且这种脆化倾向主要是缺口所致（因为冲击加载使缺口周

5、围区域产生塑性变形，而松弛应力集中的过程来不及进行）。所以，从这个意义上说，冲击吸收功主要是反映材料的缺口敏感性。•冲击吸收功和冲击韧性值对金属材料的组织结构、冶金缺陷比较敏感，可检验、控制材料的冶金质量及热加工质量。•冲击实验可评定材料从低温到高温出现的各种脆化现象，例如冷脆、蓝脆、重结晶脆性等。脆化现象蓝脆•指钢加热到500℃左右出现冲击值下降的现象。此时断裂面表面氧化呈蓝色。•蓝脆现象是一种在塑性变形过程中发生的应变时效过程，可以称为动态应变时效。•主要机制与位错被钉扎有关。当位错运动与其它位错交

6、割或因遇到内应力峰而受阻从而暂时停滞时，在一定温度下溶质原子可借热激活而扩散并重新在位错周围聚集形成气团，钉扎位错使之运动受到更大的阻力，相应地提高变形抗力，并使塑性下降而呈现出脆性。•重结晶脆性是在A∼A温度区间，钢13中为α+γ二相混合组织，冲击值降低的现象。6.3低温脆性和冷脆转变温度一、低温脆性现象（冷脆转变）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称为低温脆性（冷脆）。不同材料在冷脆温度区间的冲击值与温度的关系大致有三种类型：不同材料的冷脆倾向•对中、低强度的面心立方金属材料

7、，其冲击值在很宽的工程应用温度范围内都很高，可以不考虑低温脆性和冷脆转变问题；•对于高强度材料，如高强钢、钛合金等，在缺口存在的所有温度下，通常都是脆性断裂，冲击值都很低，因此冷脆现象也不明显；•对工程上应用很广的低、中强钢材料，则在低温时可表现为解理断裂，而在高温时呈现韧性断裂，即在某一温度范围内，冲击值对温度十分敏感，因此对这类材料制造低温服役的结构件时，必须考虑冷脆转变温度的影响。冷脆现象与材料屈服应力σ和裂纹失稳扩展临界s应力σ（解理断裂强度）随温度的变化有关。c•σ随温度升高而明显下降，s而σ

8、则对温度较不敏感。因c而，在某温度T时二种应力k相等。•当T>T时，σ>σ，材料先发kcsσc生屈服和形变硬化，使应力上升达到σ时呈韧性断裂；c•当T