第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能课件.ppt

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1、第三章材料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本章的意义：生产中很多机件和工具受冲击载荷作用，为了评定材料承受冲击载荷的能力，揭示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。在低温环境下使用的构件，其用材在低温下发生脆断的情况是必须要严格关注的，因此需要进行系列冲击试验。本章的内容：介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能特点以及材料的低温脆性。第一节冲击弯曲试验与冲击韧性变形速率：υ=dl/dt，l是试样长度，t是时间应变速率：一

2、、加载速率和应变速率加载速率提高，应变速率也随之增加。静拉伸的应变速率在10-5～10-2S-1,当应变速率大于10-2S-1，材料的力学性能将发生显著的变化。冲击载荷下材料变形和断裂的特点弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性模量没有影响。塑性变形阶段：塑性变形来不及充分进行，且不均匀。表现为弹性极限、屈服强度的提高。下屈服点低碳钢应变速率对铝扭转应力—应变曲线的影响冲击载荷下塑性变形抗力提高的原因：位错运动速率增加，使派纳力增大，产生附加强化。迅速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的平均长度，增加点缺陷浓度。

3、塑性变形集中在局部区域，较之静载条件极不均匀。应变速率提高，材料塑性必定下降？材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增加而减小。材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可能提高。应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响(a)屈服强度和抗拉强度(b)断面收缩率应变速率对淬火回火35CrNiMoV钢的强度和塑性的影响(a)屈服强度和抗拉强度(b)延伸率和断面收缩率二、冲击弯曲试验(GB229-84,GB2106-80)1试验特点：冲击载荷作用力在极短时间（微秒）内有很大变化幅度，缺口试样（有缺口效应），低温，都是致脆因素下测定试样的冲击功。2

4、加载方式：利用摆锤的势能，如下图所示，测量试样变形和断裂所吸收的功称为冲击吸收功。用AK表示，AK＝mg（H1-H2），单位为焦耳J。试样开缺口的目的：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附件不大的体积范围内，保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。冲击试样尺寸及加工要求3试样形状：V型和U型缺口试样，形状和尺寸如图所示。测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击功时常采用10mm×10mm×55mm的无缺口试样。4试验结果：试验机直接得到的结果为冲击功AKV（AKU），用缺口处的截面积S去除以冲击功便得到冲击韧度αKV和αKU，即,

5、单位为J/cm2。注意：（1）αKV和αKU不能进行对比；（2）截面不同不可比；（3）试验机不同不可比。5低温的施加方法：液氮＋酒精（注意冻伤）冲击功＝（冲击弹性功＋塑性功＋撕裂功）＋空气阻力＋机身振动＋轴承与测量机构的摩擦＋试样的飞出等。冲击韧度只是一种混合的韧性指标，在设计中不能定量使用。表示材料韧度的性能指标共有三个：冲击韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件下材料的韧度。三、冲击韧度的工程意义静力韧度——材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫

6、作静力韧度。应力－应变曲线下所包围的面积减去弹性能表示。数学表达式可通过真应力应变曲线求得SK－断裂时的真应力；eK－断裂时的真应变冲击韧性的意义：冲击韧度（冲击值αKV和αKU）是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性有关。可检验材料的冶金质量、冷脆倾向、缺口敏感性。韧性材料的冲击试样断口裂纹源缺口冲击试样的载荷－挠度图Ac：弹性变形功；Ap：塑性变形、变形强化和裂纹形成等过程吸收的功；Ad：裂纹扩展功PF三种典型的冲击载荷－位移曲线①强度高、塑性低、无裂纹扩展功部分，说明这种材料裂纹难以形成，但裂纹却极易失稳扩展②强度较高，裂纹较

7、难形成，且具有一定的抵抗裂纹扩展的能力③强度低并具有较大的抵御裂纹扩展的能力四、多次冲击实验当冲击次数N<500~1000时，试样断裂规律与一次冲击相同。当冲击次数N>105时，属典型的疲劳断裂。35钢的多冲曲线冲击能量高时，材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度四、冲击试验的应用1、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。2、评定材料的冷脆倾向(韧脆转变温度）。3、对于σs大致相同的材料，可以评定材料对在冲击载荷下破坏的缺口敏感性。4、通过建立冲击功和其他力学性能指标间的联

8、系，替代较复杂的实验。第二节低温脆性一、系列冲击试验与低温脆性系列冲击试验——将某一材料制成的冲击试样冷却到不同的温度测定冲击功，可得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线。这种不同