材料力學(xué)性能第三章a

1、Mechanical properties of materials1第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性2本章的意義：生產(chǎn)中很多機(jī)件和工具受沖擊載荷作用，為了評定材料承受沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為，就需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)。在低溫環(huán)境下使用的構(gòu)件，其用材在低溫下發(fā)生脆斷的情況是必須要嚴(yán)格關(guān)注的，因此需要進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)。本章的內(nèi)容：介紹材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為和性能特點(diǎn)以及材料的低溫脆性。第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性/ , d dt =/ d dl l =1 dl1 dl/ d dt = = = =靜拉伸的應(yīng)變速率在10 10 S ,當(dāng)應(yīng)變速率大3第一節(jié) 沖擊彎

2、曲試驗(yàn)與沖擊韌性變形速率：= dl/dt， l是試樣長度，t是時(shí)間應(yīng)變速率：一、加載速率和應(yīng)變速率加載速率提高，應(yīng)變速率也隨之增加。i-5 -2 -1于10-2S-1，材料的力學(xué)性能將發(fā)生顯著的變化。l dt dt l li0 1 2lg 低碳鋼4第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖擊載荷下材料變形和斷裂的特點(diǎn)彈性變形階段：應(yīng)變速率對材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。塑性變形階段：塑性變形來不及充分進(jìn)行，且不均勻。表現(xiàn)為彈性極限、屈服強(qiáng)度的提高。=K +Ki下屈服點(diǎn)5第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率對鋁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響6第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖擊載荷下塑性變形抗力提高的原因：a

3、)b)c)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加，使派納力增大，產(chǎn)生附加強(qiáng)化。迅速增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程的平均長度，增加點(diǎn)缺陷濃度。塑性變形集中在局部區(qū)域，較之靜載條件極不均勻。7第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率提高，材料塑性必定下降？材料以正斷方式斷裂，塑性隨應(yīng)變速率的增加而減小。材料以切斷方式斷裂，塑性可能不變，也可能提高。8第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率對18Ni馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)度和塑性的影響(a)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 (b)斷面收縮率9第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率對淬火回火35CrNiMoV鋼的強(qiáng)度和塑性的影響(a)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 (b)延伸率和斷

4、面收縮率10二、沖擊彎曲試驗(yàn) (GB229-84,GB2106-80)1 試驗(yàn)特點(diǎn)： 沖擊載荷 作用力在極短時(shí)間（微秒）內(nèi)有很大變化幅度，缺口試樣（有缺口效應(yīng)），低溫，都是致脆因素下測定試樣的沖擊功。2 加載方式：利用擺錘的勢能，如下圖所示，測量試樣變形和斷裂所吸收的功稱為沖擊吸收功。用AK表示，AKmg（H1-H2），單位為焦耳J。第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性11第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性1213第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性試樣開缺口的目的：在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附件不大的體積范圍內(nèi)，保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)生在缺口處。14第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖

5、擊試樣尺寸及加工要求3 試樣形狀：V型和U型缺口試樣，形狀和尺寸如圖所示。測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊功時(shí)常采用10mm10mm55mm的無缺口試樣。第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性4 試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)機(jī)直接得到的結(jié)果為沖擊功AKV（AKU），用缺口處的截面積S去除以沖擊功便得到?jīng)_擊韌度KV和KU，即, 單位為J/cm2。15AKV(AKU)SaKV(aKU)=16第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性注意：（1）KV和KU不能進(jìn)行對比；（2）截面不同不可比；（3）試驗(yàn)機(jī)不同不可比。5 低溫的施加方法：液氮酒精 （注意凍傷）17第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖擊功（沖擊彈性功塑性功撕裂功）空氣阻

6、力機(jī)身振動(dòng)軸承與測量機(jī)構(gòu)的摩擦試樣的飛出等。沖擊韌度只是一種混合的韌性指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中不能定量使用。18第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性表示材料韌度的性能指標(biāo)共有三個(gè)：沖擊韌度（第三章）、斷裂韌度（第四章）、靜力韌度（第一章）分別用來評價(jià)材料在沖擊載荷、有裂紋的情況下靜載荷、靜拉伸載荷條件下材料的韌度。三、沖擊韌度的工程意義19第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性靜力韌度材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料從變形到斷裂所消耗的功叫作靜力韌度。應(yīng)力應(yīng)變曲線下所包圍的面積減去彈性能表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式可通過真應(yīng)力應(yīng)變曲線求得SK斷裂時(shí)的真應(yīng)力；eK斷裂時(shí)的真應(yīng)變2a靜 =(SK +0.2)eK20第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖

7、擊韌性沖擊韌性的意義：沖擊韌度（沖擊值KV和KU）是一個(gè)綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，與材料的強(qiáng)度和塑性有關(guān)。可檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量、冷脆傾向、缺口敏感性。韌性材料的沖擊試樣斷口缺口沖擊試樣的載荷撓度圖Ac：彈性變形功；Ap：塑性變形、變形強(qiáng)化和裂紋形成等過程吸收的功；Ad：裂紋擴(kuò)展功21第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性裂紋源PF22第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性三種典型的沖擊載荷位移曲線強(qiáng)度高、塑性低、無裂紋擴(kuò)展功部分，說明這種材料裂紋難以形成，但裂紋卻極易失穩(wěn)擴(kuò)展強(qiáng)度較高，裂紋較難形成，且具有一定的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力強(qiáng)度低并具有較大的抵御裂紋擴(kuò)展的能力23第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性四、多次沖擊實(shí)驗(yàn)

8、當(dāng)沖擊次數(shù)N105時(shí)，屬典型的疲勞斷裂。35鋼的多沖曲線沖擊能量高時(shí)，材料的多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，材料的多沖抗力主要取決于強(qiáng)度24第一節(jié) 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性四、沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用1、 用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。2、 評定材料的冷脆傾向(韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。3、 對于s大致相同的材料，可以評定材料對在沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。4、 通過建立沖擊功和其他力學(xué)性能指標(biāo)間的聯(lián)系，替代較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。第二節(jié)低 溫 脆 性一、系列沖擊試驗(yàn)與低溫脆性系列沖擊試驗(yàn)將某一材料制成的沖擊試樣冷卻到不同的溫度測定沖擊功，可得到這種材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線

9、。這種不同溫度下的沖擊試驗(yàn)稱為系列沖擊試驗(yàn)。25第二節(jié)低 溫 脆 性低溫脆性材料的強(qiáng)度隨溫度的降低而升高，而塑性則相反。從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩瑳_擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征從纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱為低溫脆性或冷脆。26第二節(jié)低 溫 脆 性實(shí)驗(yàn)中歸納有3種不同的沖擊吸收功溫度關(guān)系曲線：如：銅、鋁如：正火態(tài)20鋼如：淬火態(tài)高碳馬氏體鋼27第二節(jié)低 溫 脆 性第一類曲線顯示材料在很寬的實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)都是脆性的，如淬火態(tài)的高碳馬氏體鋼等高強(qiáng)度鋼；第二類曲線顯示具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料如Cu、Al等在很低的實(shí)驗(yàn)溫度下仍具有較高的韌性，這類材料的屈服強(qiáng)度對溫度和

10、應(yīng)變速率的變化不敏感；28第二節(jié)低 溫 脆 性第三類曲線顯示材料在一定的溫度區(qū)間產(chǎn)生低溫脆性轉(zhuǎn)變，如體心立方金屬及其合金、某些密排六方金屬及其合金，及許多珠光體鐵素體兩相鋼。這類材料的屈服強(qiáng)度對溫度和應(yīng)變速率的變化十分敏感。高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯)等，也會(huì)發(fā)生低溫脆性。29第二節(jié)低 溫 脆 性產(chǎn)生低溫脆性的機(jī)理材料低溫脆性的產(chǎn)生與其屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨溫度的變化有關(guān)。s：體心立方金屬等材料的屈服強(qiáng)度s：面心立方金屬等材料的屈服強(qiáng)度c：材料的斷裂強(qiáng)度s、s和c隨溫度變化示意圖30第二節(jié)低 溫 脆 性體心立方金屬

11、及其合金、某些密排六方金屬及其合金，這類材料的屈服強(qiáng)度對溫度和應(yīng)變速率的變化十分敏感。溫度降低，屈服強(qiáng)度升高，當(dāng)屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生脆性斷裂。具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料如Cu、Al等的屈服強(qiáng)度隨溫度的降低不發(fā)生明顯的升高，屈服強(qiáng)度總是低于斷裂強(qiáng)度，所以冷脆傾向不明顯。3132第二節(jié)低 溫 脆 性微觀上，體心立方晶體中的位錯(cuò)阻力隨溫度降低而增加，故該類材料發(fā)生低溫脆性，面心立方金屬因位錯(cuò)寬度比較大，位錯(cuò)阻力對溫度變化較不敏感，故一般不顯示低溫脆性。霍耳配奇(Hall-Petch)公式1/2s =i +kyd第二節(jié)低 溫 脆 性體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)。遲屈服即對材料施加一

12、高速載荷到高于s，材料并不立即產(chǎn)生屈服，而需要經(jīng)過一段孕育期(稱為遲屈服時(shí)間)才開始塑性變形。在孕育期中只產(chǎn)生彈性變形，由于沒有塑性變形消耗能量，故有利于裂紋的擴(kuò)展，從而易表現(xiàn)為脆性破壞。33第二節(jié)低 溫 脆 性缺口的存在對材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響缺口的存在會(huì)使材料的屈服強(qiáng)度提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。t1和t2之間的差值體現(xiàn)了缺口對脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響。缺口對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響34第二節(jié)低 溫 脆 性二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評價(jià)方法韌脆轉(zhuǎn)化溫度由韌性狀態(tài)（塑性變形斷裂）轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（彈性變形斷裂）的溫度定義為韌脆轉(zhuǎn)化溫度。韌脆轉(zhuǎn)化溫度的用途：在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，了解這一溫度可以確定當(dāng)使用溫度大于它時(shí)，脆性斷

13、裂不會(huì)發(fā)生。35第二節(jié)低 溫 脆 性1、低溫拉伸試驗(yàn)低溫缺口敏感度N來評定低溫脆性，并確定tk。b0T0.2TN =缺口試樣低溫抗拉強(qiáng)度光滑試樣低溫屈服強(qiáng)度N1時(shí)，為缺口試樣的tk。36第二節(jié)低 溫 脆 性2、低溫沖擊試驗(yàn)評價(jià)方法：能量法(1)當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺，以低階能開始上升的溫度定義tk，并記為NDT，稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。37第二節(jié)低 溫 脆 性(2)高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個(gè)上平臺，稱為“高階能”。以高階能對應(yīng)的溫度為tk，記為FTP。38第二節(jié)低 溫 脆 性(3)以低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度定義，并記為FTE

14、。39第二節(jié)低 溫 脆 性(4)與某一固定的能量對應(yīng)的溫度。如以Akv15尺磅(20.3J)對應(yīng)的溫度定義，并記為V15TT 。低碳鋼船用鋼板40第二節(jié)低 溫 脆 性斷口形貌特征法依據(jù)該法確定的韌脆轉(zhuǎn)化溫度稱為FATT。斷口上出現(xiàn)50纖維狀韌性斷口和50脆性結(jié)晶狀斷口的試樣所對應(yīng)的溫度。4142第二節(jié)低 溫 脆 性沖擊斷口形貌示意圖43第二節(jié)低 溫 脆 性上述表明，由于定義tk的方法不同，同一材料所得tk亦有差異；同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素（如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等）的改變，tk也要變化。所以，在一定條件下用試樣測得的tk，因?yàn)楹蛯?shí)際結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，不能說明該材

15、料制成的機(jī)件一定在該溫度下斷裂。44第二節(jié)低 溫 脆 性第二節(jié)低 溫 脆 性韌性溫度儲(chǔ)備tt0-tk（2060 ）t0為工作溫度兩種鋼材的沖擊轉(zhuǎn)變曲線45第二節(jié)低 溫 脆 性3、落錘試驗(yàn)缺口沖擊試驗(yàn)雖然測量簡單方便，試驗(yàn)成本也低，但其測量的韌脆轉(zhuǎn)化溫度，在一般情況下并不能代表實(shí)物構(gòu)件的脆化溫度，缺口沖擊試驗(yàn)所確定的脆化溫度總是偏低。這主要是因?yàn)槿笨跊_擊試樣尺寸小，其幾何約束要比厚的實(shí)物構(gòu)件小，由于變形的幾何約束小帶來的脆化程度也相應(yīng)地小一些。46第二節(jié)低 溫 脆 性試驗(yàn)之前試樣在所選的低溫條件下保溫30-45分鐘，然后迅速將其移至支座上，用落錘對其沖擊 。錘的沖擊能量是根據(jù)板材厚度和材料的屈服

16、強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)決定的。焊堆長寬厚64154mm落錘試驗(yàn)示意圖47根據(jù)試驗(yàn)溫度的高低，試樣發(fā)生如下變化：1、試樣只發(fā)生塑性變形，不開裂；2、試樣拉伸面靠缺口附近出現(xiàn)裂紋，但未擴(kuò)展到兩側(cè)邊；3、裂紋擴(kuò)展到試樣的一側(cè)邊或兩側(cè)邊；4、試樣完全碎裂。這個(gè)溫度叫做無塑性轉(zhuǎn)變溫度簡稱NDT，是產(chǎn)生無塑性破壞的最高溫度 。如試驗(yàn)溫度低于NDT，則裂紋就可自拉伸面橫穿板的寬度直至邊緣。48第二節(jié)低 溫 脆 性第二節(jié)低 溫 脆 性斷裂分析圖（FAD）斷裂分析圖表示了應(yīng)力、缺陷和溫度三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，只要確定了其中任意兩個(gè)參數(shù)，就可以求出第三個(gè)參數(shù)。49第二節(jié)低 溫 脆 性三、影響材料低溫脆性的因素1晶體結(jié)構(gòu)2化

17、學(xué)成分bcc有冷脆，fcc無冷脆間隙溶質(zhì)元素含量增加，韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高，如含碳量增加，鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高；雜質(zhì)元素含量增加，容易偏聚在晶界附近，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。5051第二節(jié)低 溫 脆 性3 晶粒大小tk=lnB-lnC-lnd-1/2、B、C為常數(shù)， 與i有關(guān)，C為裂紋擴(kuò)展阻力的度量； d：晶粒直徑。原因：晶粒減小，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂；晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力。52第二節(jié)低 溫 脆 性第二節(jié)低 溫 脆 性鐵素體晶粒尺寸對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響53第二節(jié)4、金相組織低 溫 脆 性脆性增大的順序：珠光體上貝氏體下貝氏體回火索氏體；鋼中碳化物及夾雜物等第二相對鋼的脆性的影響程度取決于第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、分布、第二相性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等因素。54第二節(jié)低 溫 脆 性熱處理方式對鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響55第二節(jié)低 溫 脆 性5、加載速率 提高加載速率，提高缺口處塑性變形的應(yīng)變率，從而使材料脆性增大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。lgv = B Q / (R .tk)v：應(yīng)變速率； tk：韌脆轉(zhuǎn)變溫度；