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材料性能学 3.冲击

• 随冲击能量的升高,多冲抗 力峰值位置向高的回火温度方 向移动。说明冲击能量越高, 多冲抗力所要求配合的塑性也 越高。
3)多冲抗力与冲击韧性的关系
冲击韧性在多次 冲击中的作用,随钢 的强度等级不同而不 同:
• 在中、低强度范围 高强度 内,冲击韧性对多冲 抗力影响不大;
• 在高强度范围内, 提高冲击韧性可以提 中强度 高多冲抗力。
二、一次冲击弯曲(GB 229-84)
为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响,需 要进行缺口试样冲击弯曲试验,测定材料的冲击韧性。
1、一次冲击弯曲试验及冲击韧性
冲击韧性:
指材料在冲击载荷作用下吸 收塑性变形和断裂功的能力, 常用标准试样的冲击吸收功 Ak表示。
冲击功: AK Gh Gh
第二类:温度范围很宽的情况下,均为脆性,如淬火 马氏体钢;
第三类:材料在一定范围内产生低温韧脆性转变,如 体心立方金属及其合金、某些密排立方金属及其合金, 以及铁素体-珠光体钢;
这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化敏感。
低温脆性是材料的屈服强度随温度降低而急剧增加的结果。
温度范围
一次冲击弯曲试样断口形貌
第二节 冲击试验
不同力学试验的应变速率范围
产生1%应 变的时间
(s)
变形速度
(1/s)
等温过程
106
104
102
100
10-8
10-6
10-4
10-2
惯性力可忽略
绝热过程
10-2
10-4
10-6
10-8
100
102
104
106
惯性力不可忽略
变形 类型
加载 形式
蠕变
亚 准静态 动 冲击

恒载或 恒应力
交通大学 周惠久院士
三种材料的多冲曲线
低强、高塑 高强、低塑
高冲击功时, 25钢寿命长; T8钢寿命短。
低冲击功时, 25钢寿命短; T8钢寿命长。
2、回火温度对钢多冲抗力的影响
• 随回火温度升高,强度和硬 度下降、塑性升高;
• 多冲抗力并非单调变化,存 在一个最佳回火温度,使多冲 抗力达到峰值;
试验表明,当试样破坏前承受的冲击次数(N) 少于500~1000次,试样的断裂规律与一次冲击相同; 当N>105时,破坏后具有典型的疲劳断口特征,说明 是各次冲击损伤累积的结果,不同于一次冲击破坏过 程,所以多次冲击抗力不能用AK值简单代替。
1、多冲试验原理及方法
多冲试验一般在落锤式多次冲击试验机上进行: 冲击频率:450周/min及600周/min 冲击能量:0.1~1.5J(依靠冲程调节)
4)韧-脆转变
高应变速率可使某些金属由韧性断裂转变为脆性断裂,例如,Mo在2/s 应变速率下,延伸率已降为零(下左图)。但不同晶格金属的延伸率随应 变速率变化趋势并不相同,如下右图所示。一般,对bcc金属,随应变速率 增高,延伸率明显降低;对fcc金属,延伸率不发生明显变化;对hcp金属, 则较复杂,例如Zn的延伸率下降,而Ti的延伸率无明显变化。
(1).反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量; (2).系列冲击试验,可得Ak与温度的关系,测定材料的韧脆转变 温度 (3).对于屈服强度相同的材料,根据Ak值可以测定材料对大能量 冲击破坏的缺口敏感性。
4、冲击试验的应用
1)作为材料承受大能量冲击时的抗力指标,如炮弹、装甲 板等;,如船 用钢板等;
第三章 材料的冲击性能
• 受冲击载荷的构件
– 空间飞行器受陨石的撞击; – 炮弹、子弹对装甲的穿透; – 飞机起飞与降落时起落架与地面的碰撞; – 汽车驶过凹坑和凸起; – 经受锻造、爆炸焊接、爆炸加工成型的构件;等等。
• 利用冲击能量来工作的构件
– 锻锤; – 冲床; – 凿岩机; – 铆钉枪;等等。
液压或机 械传动
气压 或机 械传 动
机械或 爆破冲 击
高速冲击 爆破冲击
一、冲击拉伸
Hopkinson钢丝冲击拉伸试验
• 钢丝断裂位置不是在接触处A,而 是在悬挂固定端处B;
• 动态屈服强度约为静态屈服强度的 二倍左右;
• 钢丝在1.5倍于静态屈服强度的应 力作用下,经100微秒之后才发生 屈服,说明材料在动态载荷作用下 有延迟屈服现象。
屈服强度和抗拉强度
延伸率和断面收缩率
淬火回火的35NiCrMoV钢
随应变率的提高,强度也随之提高,但并非必然使塑性降低;恰恰 相反,在102~104/s应变率范围内,断面收缩率和延伸率都有所提高。在 CrMoV钢中也得到类似结果。
18Ni马氏体时效钢
屈服强度和抗拉强度
延伸率和断面收缩率
随着应变率的提高,其屈服强度和抗拉强度单调地提高, 但其断面收缩率几乎保持不变,或者略有下降,但绝对值仍 在40%以上。
多冲抗力:某冲击能量 A 下的冲断周次 N ;或规定工作寿 命 N 时的冲断能量 A 。
2、多冲抗力变化规律
1)强度和塑性对多冲抗力的响应
多冲抗力是一个取决于材料强度和塑性的 综合机械性能,随条件不同,对强度和塑性的 要求是不同的。一般来说: • 冲击能量高时,材料多冲抗力取决于塑性; • 冲击能量低时,材料多冲抗力取决于强度;
max
P S
1
1
2hES PL
分离式Hopkinson压杆冲击试验
加载装置
应力传送装置
应变测量装置
(1).由于冲击载荷应力比较高, 使较多的位错源同时开动,抑止了 易滑移阶段的产生和发展; (2).冲击载荷还增加了位错密度 和滑移系数目 (3).上述特点使金属在冲击载荷下 塑性变形难以进行; (4).静载荷下: 塑性变形均匀发生在不同晶粒;
第一节 冲击载荷下材料的力学响应
冲击载荷与静载荷的区别:加载速率不同
一、加载速度及变形速度的概念
加载速度-载荷施加于机件的速度,用单位时间应力增加量
表示。
变形速度-单位时间内的变形量。有两种表示方法:
两种变形速度之间的关系:
• 绝对变形速度: V dl
dt
• 相对变形速度: de
dt
V 1
l0
小冲击功 中冲击功 大冲击功
低强度
第三节 低温脆性(冷脆性)
一、低温脆性现象
当温度低于某一温度时:
AK
• 由韧性断裂→脆性断裂;
• 冲击吸收功明显下降;
• 断裂机理由微孔聚集型→解理断裂
• 断口特征由纤维状→结晶状
则将此现象称为低温脆性。而 对应的温度称为韧脆转变温度。
t tK
大量试验表明,体心立方(bcc)金属及某 些密排六方(hcp)金属具有较明显的低温脆性; 而面心立方(fcc)金属低温脆性现象不明显。
2) AK 值相同的材料,其韧性不一定相同 塑性变形功
AK AI AP 裂纹形成功
裂纹扩展功
而:AI = A弹性+A塑性
当A弹性大、而A塑性及AP小 时,材料为脆性。
弹性变形功
根据断裂理论,断裂类型取决于裂纹扩展过程中所消耗的功, 消耗功越大,则断裂表现为韧性的;反之,为脆性的;
冲击韧性不能真正代表材料的韧脆程度,为什么?
二、力学响应
1、弹性变形
变形速度对金属材料的弹性行为及相应的性能指标(如 弹性模量)没有影响。
2、塑性变形
屈服强度显著升高;当应力高于屈服应力但小于104MPa 时,材料响应可用耗散过程来描述,需考虑大变形、粘滞性、 热传导等,本构关系很复杂,为非线性。
3、流体力学-热力学响应
当应力超过强度几个数量级时,材料可作为非粘性可 压缩流体来处理,其真实材料结果可不考虑,响应行为可用 热力学参数描述。
属材料而言,随温度升高,
屈服强度σs 迅速下降,而 解理断裂强度σc 却基本保
持不变,故两曲线必有一 个交点(tk):
当 t> tk时,σc > σs,韧断;
当 t< tk时,σc< σs, 脆断。
屈服强度σs 解理强度σc
tk
温度 t
(1)低阶能上升温度
(2).高阶能温度
(3).高阶能和低阶能 平均值对应的温度;
2、高阶能对应的温度 fracture transition plastic (100%纤维断口)
3、(低阶能+高阶能)/ 2 对应的温度(fracture transition elastic)
四、影响材料低温脆性的因素
1、晶体结构的影响
大量试验表明,体心立方(bcc)金属及某些密排六方 (hcp)金属具有较明显的低温脆性;而面心立方(fcc)金 属低温脆性现象不明显。普通中、低碳钢的基体是体心立方 的铁素体,低温脆性
冲击载荷下,应考虑惯性作用。
第一节 冲击载荷下材料的力学响应
现代机器不同机件的应变速率范围:10-6-106S-1
静拉伸试验的应变速率 :10-5-10-2 S-1 冲击载荷的应变速率:102-104 S-1
应变速率在10-4-10-2 S-2内,金属力学性能没有明显变 化,可按静载荷处理 当应变速率大于10-2 S-1时,力学性能将发生明显变化, 按受冲击载荷处理。
温度对钢材冲击韧性的影响
冷脆性 (低温脆性)
篮脆性
重结晶脆性
蓝脆: 碳钢和某些合金钢在230-370度范围内拉伸时,强度升高,塑性, 降低出现脆性。颜色氧化为蓝色,所以称为蓝脆。形变时效加速 进行的结果。冲击载荷下,形变速率较高,蓝脆温度上升。
实践中的三种冲击吸收功-温度关系曲线:
第一类:面心立方金属,低温下韧性依然很高;
含Mn钢系列冲击试验结果
几种类型材料的摆锤冲击试验结果
韧脆转变温度:
在不同温度下进行冲击弯曲试验,根据试 验结果作出冲击吸收功-温度曲线、断口 形貌中各区所占面积和温度的关系曲线、 试样断裂后塑性变形量和温度的关系曲线, 根据这些曲线求出临界温度。
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