§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
二、冲击韧性及其工程意义 冲击韧性是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，常用标准试祥的冲击吸收功AK表示。 能力，常用标准试祥的冲击吸收功A 表示。 (1)冲击韧度或冲击值 冲击韧度或冲击值α (1)冲击韧度或冲击值αKU(αKV): 用试样缺口处截面F 去除A 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 αKU(αKV)＝AKU(AKV)/FN (2)冲击功 冲击功: (2)冲击功: GH1-GH2=AK (3)工程意义 工程意义: (3)工程意义: 反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； 测定材料的韧脆性转变温度 韧脆性转变温度； ②测定材料的韧脆性转变温度； 大致相同的材料，根据A ③对σs大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能量冲击 破坏的缺口敏感性。 破坏的缺口敏感性。
§3.3 低
温
脆
性
二、韧脆转变温度 能量法： 1、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度NDT： 无塑性或零塑性转变温度NDT (1)无塑性或零塑性转变温度NDT： 低阶能：低于某一温度， ①低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。 冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。 低阶能开始上升的温度为t NDT)。 ②低阶能开始上升的温度为tk (即NDT)。 NDT以下 断口由100 结晶区(解理区)组成。 以下， 100％ NDT以下，断口由100％结晶区(解理区)组成。 FTP： (2) FTP： 高阶能：高于某一温度， ①高阶能：高于某一温度， 吸收的能量基本不变，形成一个上平台。 吸收的能量基本不变，形成一个上平台。 以高阶能对应的温度为t FTP)。 ②以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。 高于FTP的断裂，得到100 的纤维状断口。 FTP的断裂 100％ 高于FTP的断裂，得到100％的纤维状断口。 FTE： (3) FTE： 低阶能和高阶能平均值对应的温度。 低阶能和高阶能平均值对应的温度。 TT： (4) V15TT： =15尺磅(20.3N·m)对应的温度。 尺磅(20.3N m)对应的温度 以AKV=15尺磅(20.3N m)对应的温度。
材料的力学性能
材料与化工学院
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
加载速率即载荷施加于试样或机件时的速率。 加载速率即载荷施加于试样或机件时的速率。 即载荷施加于试样或机件时的速率 单位时间内应力增加的数值表示 增加的数值表示。 用单位时间内应力增加的数值表示。 形变速率是单位时间内的变形量(绝对变形量和相对变形量), 形变速率是单位时间内的变形量(绝对变形量和相对变形量), 内的变形量 有绝对形变速率 相对形变速率(应变率)两种。 形变速率和 有绝对形变速率和相对形变速率(应变率)两种。 应变率是单位时间内应变的变化量。一般在10 /s之间 之间。 应变率是单位时间内应变的变化量。一般在10-6～106/s之间。 的变化量 冲击载荷与静载荷主要区别： 冲击载荷与静载荷主要区别： 加载速率不同， 应变率不同， /s为分界线 为分界线。 加载速率不同，即应变率不同，以10-2/s为分界线。 不同 不同
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 试验原理： 试验原理： 摆锤式冲击试验机； 摆锤式冲击试验机； 试样[缺口夏比(Charpy)U型和V型]； 试样[缺口夏比(Charpy)U型和V 夏比(Charpy)U型和 摆锤(G)举至H 的位置(位能为GH 摆锤(G)举至H1的位置(位能为GH1)； (G)举至 释放摆锤； 释放摆锤； 冲断试样； 冲断试样； 摆锤(G) (G)至 的位置(位能为GH 摆锤(G)至H2的位置(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功 冲击吸收功(A 此即为冲击吸收功(AKU和AKV)。 GB229-84和GB2106-80。 GB229-84和GB2106-80。
Titanic号钢板 左图)和近代船用钢板 右图)的冲击试验结果 号钢板(左图 和近代船用钢板(右图 的冲击试验结果 号钢板 左图 和近代船用钢板 右图
• 右图是建造中的Titanic 右图是建造中的Titanic 号。 • Gannon 的文章指出，在 的文章指出， 水线上下都由10 张30 英 水线上下都由10 尺长的高含硫量脆性钢板 焊接成300英尺的船体。 300英尺的船体 焊接成300英尺的船体。 • 船体上可见长长的焊缝。 船体上可见长长的焊缝。 船在冰水中撞击冰山而裂 开时， 开时，脆性的焊缝无异于 一条300英尺长的大拉链， 300英尺长的大拉链 一条300英尺长的大拉链， 使船体产生很长的裂纹， 使船体产生很长的裂纹， 海水大量涌入使船迅速沉 没。 建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长 建造中的 的焊缝 • 这是钢材韧性与人身安全 的一个突出例证。 的一个突出例证。
§3.3 低
温
脆
性
一、低温脆性现象 1、系列冲击实验 不同温度 温度( 高温)下的冲击试验。 不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。 冲击韧性α 与温度t的关系曲线( 冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 低温脆性： 2、低温脆性： 由韧性状态变为脆性状态， 当t<tk时，由韧性状态变为脆性状态， 冲击吸收功明显下降， 冲击吸收功明显下降， 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理， 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理， 断口特征由纤维状变为结晶状。 断口特征由纤维状变为结晶状。 称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 3、tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金， （体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金， 特别是工程上常用的中、低强度结构钢） 特别是工程上常用的中、低强度结构钢）
• 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰 年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（ 年当年最为豪华 ） 世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 成了 世纪令人难以忘怀的悲惨海难 • 1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。 年以后，探险家们数次深潜到 英尺深的海底研究沉船， 年以后 英尺深的海底研究沉船 起出遗物。 1995年2月美国《科学大众》(Popular Science)杂志发表了 Gannon 的文章， 年 月美国 科学大众》 月美国《 杂志发表了R 的文章， 杂志发表了 标题是『 付标题是“ 标题是『What Really Sank The Titanic』,付标题是“为什么‘不会沉没的’ 』 付标题是 为什么‘不会沉没的’ 船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了 年未解之谜 船在撞上一个冰山后 小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜 小时就沉没了 “。 • 由于早年的 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。 号采用了含硫高的钢板 韧性很差，特别是在低温呈脆性。 硫高的钢板， 所以，冲击试样是典型的脆性断口。 所以，冲击试样是典型的脆性断口。 • 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
§3.2 冲击弯曲和冲击韧性
2.多次冲击试验 2.多次冲击试验 (1)冲击次数少于500-1000次 冲击次数少于500 (1)冲击次数少于500-1000次， 与一次冲击相同； 与一次冲击相同； 冲击次数＞ 冲击次数＞105时， 典型的疲劳断口特征。 疲劳断口特征 典型的疲劳断口特征。 (2)多次冲击试验 多次冲击试验: (2)多次冲击试验: 落锤式多次冲击试验机PC l50。 PC落锤式多次冲击试验机PC-l50。 冲击频率(冲击次数) 冲击频率(冲击次数)： 450周次/min和600周次/min。 周次/min 周次/min 450周次/min和600周次/min。 冲击能量A 0.1～1.5J； 冲击能量A ：0.1～1.5J； 冲击功A--冲断次数 曲线。 冲断次数N 冲击功A--冲断次数N曲线。 的减少
多次冲击 (1)某种冲击能量 下的冲断周次 某种冲击能量A 冲断周次N (1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A。 要求的冲击工作寿命 冲断能量 (3)多冲抗力取决于塑性和强度 多冲抗力取决于塑性和强度： (3)多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； 高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； 低时，多冲抗力主要取决于强度。 A低时，多冲抗力主要取决于强度。 不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ②不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ③高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲 击疲劳抗力有较大作用； 击疲劳抗力有较大作用； 而中、 而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳 抗力作用不大。 抗力作用不大。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
§3.1
冲击载荷下金属变形和断裂的特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 低 温 脆 性
§3.3 §3.4
影响韧脆转变温度的冶金因素
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，按能量守恒法计算。 1、通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，按能量守恒法计算。 应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 2、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 对塑性变形、断裂等有显著影响。 对塑性变形、断裂等有显著影响。
金属产生附加强化。 3、金属产生附加强化。 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行， 4、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行， 导致屈服强度、抗拉强度提高。 导致屈服强度、抗拉强度提高。 在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性， 5、在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性， 如密排六方金属爆炸成形就是如此。 如密排六方金属爆炸成形就是如此。 塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。 6、塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。