第2章 动载荷下材料的力学性能
材料韧断评价方法
材料的力学性能与材料本身的性质有关 韧性材料、脆性材料
韧、脆的相对性
韧脆影响因素： （1）温度的影响 （1）应力状态的影响 （1）变形速度的影响
（低温脆性） （三向拉应力状态） （冲击韧断）
韧脆性评价方法：材料的缺口冲击弯曲实验，材料的冲击韧性
材料低温脆性事故举例
③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗 力，因而对某些在特殊条件下服役的零件，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。
第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 1、定义
当温度低于某一温度时，材料由韧性状 态转变为脆性状态，冲击值明显下降，这 种随温度降低，材料的韧性状态转变为脆 性状态的现象称为低温脆性。
• 切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强 度比（缺口敏感度），NSR = σbN／σb
• 若NSR＞1.0，表示材料对切口不敏感， 或者说 材料是切口韧性的；
• 若NSR＜1.0，则材料对切口敏感，材料 是切口脆性的。
3、 缺口偏斜拉伸试验
4、缺口静弯试验
三、 切口根部裂纹形成准则
切口零构件或试件的断裂可能包含三个阶段：在切口根部 形成裂纹，形成于切口根部裂纹的亚临界扩展，当裂纹达 到临界尺寸时发生断裂。裂纹在切口根部形成，可以假定 是由切口根部材料元的断裂引起的，如下图所示。
（1）泰坦尼克号的沉没事故 （2）Liberty ship/Victory ship 美国在
Wold Wor Ⅱ建造的约1万吨级的运输船 （welded liberty ship） （3）T-2 Tankers美国在Wold Wor Ⅱ的油 槽船冬天突然断裂。
第一节 缺口效应
• 生产上绝大多数机件或构件都是含有缺口 的，如键槽、油孔 、台阶、螺纹等,必须考 虑缺口对材料的性能影响。
事故举例
事故举例
冷脆现象的三种类型
图 冷脆现象的三种类型
材料两个强度指标的变化
低温脆性是材料屈 服强度随着温度的降 低急剧增加的结果。 见右图，屈服点随 着温度的下降而升高， 但材料的断裂强度随 着温度的变化很小。 两线的交点对应的 温度就是tK。
缺口对冷脆转变温度的影响
二、韧脆转化温度及落锤试验
(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)．
2）按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同的试验 温度下，纤维区、放射区与 剪切唇三者之间的相对面积 （或线尺寸）是不同的。 温度下降，纤维区面积突 然减少，结晶区面积突然增 加，材料由韧变脆。
影响冲击性能的微观因素
✓位错运动的速率提高，滑移临界切应力增加，材 料的冲击韧性提高。 ✓同时开动的位错源增加，屈服强度提高的较多。 ✓内部的塑性变形不均匀。
二、冲击韧性实验
2、冲击实验原理
3、缺口实验试样
4、切口冲击韧性用途
①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量，通过测 定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中夹渣、气泡、偏析、 严重分层等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等锻造以及热 处理缺陷等； ②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；
图 零件中的切口根部塑性区（1）和虚拟的材料元（2）
缺口试样的力学行为
缺口试样的断口特征
第二节 冲击韧性
冲击韧性的定义 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，用标准试样的冲击吸收功表示。 意义：评价材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度 （幅度和频率）
1、冷脆转变温度
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功
AK，得到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）按能量定义tk的方法
当低于某一温度，材料吸 收的冲击能量基本不随温度 变化，形成一个平台，该能 量称为“低阶能”。 当高于某一温度时，材料 吸收的冲击能量基本不变， 出现一个上平台，称为“高 阶能”。
冲击载荷下的应力-应变曲线
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冲击失效的特点
➢与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 ➢吸收的冲击能测不准。
时间短；机件；与机件连接物体的刚度。 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。 ➢材料的弹性行为及弹性模量对应变速率无影响。 因为弹性变形的速率4928m/s，普通摆锤冲击实验的绝 对变形速率5-5.5m/s。
能量法确定冷脆温度有下列几种
(1) 将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度， 记为NDT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。
一、缺口试样的应力分布
1、缺口试样在弹性状态下的应力分布
缺口的应力集中
缺口的效应
(1)产生应力集中； (2)引起三向应力状态， 使材料脆化； (3)由应力集中带来应 变集中； (4)使缺口附近的应变 速率增高。
2、缺口试样在塑性状态下的应力分布
二、缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸
1、缺口试样
2、缺口敏感度
通常取结晶区面积占整个 断口面积的50%时的温度tk, 记为50%FATT或FATT50、 t50。
冷脆温度的应用
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安 全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺 寸。 机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安 全，所以选用的材料必须应该具有一定的韧性温度储备， 也就是说具有一定的温差。
冷脆温度的应用
同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化 （如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率），tk也要变化。
所以，在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工 况之间无直接联系，所有不能说明该材料制成的机件一定 在该温度下脆断。