第三章材料的沖擊韌性及低溫脆性

1、第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性1第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性 3-3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性3-3-2低溫脆性低溫脆性第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性2 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗一、沖擊彎曲試驗 1.1.一次沖擊彎曲試驗一次沖擊彎曲試驗 缺口試樣一次沖擊彎曲試驗缺口試樣一次沖擊彎曲試驗原理如圖原理如圖3-13-1所示。試驗在擺錘所示。試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進(jìn)行，將試樣水式?jīng)_擊試驗機上進(jìn)行，將試樣水平放置于試驗機支座上，缺口位平放置于

2、試驗機支座上，缺口位于沖擊相背方向。沖擊時將具有于沖擊相背方向。沖擊時將具有一定質(zhì)量一定質(zhì)量g g的擺錘舉至具有一定的擺錘舉至具有一定高度高度h h1 1的位置，使其獲得一定位的位置，使其獲得一定位能能ghgh1 1。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性3 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗一、沖擊彎曲試驗 釋放擺錘沖斷試樣后擺錘釋放擺錘沖斷試樣后擺錘的剩余能量為的剩余能量為ghgh2 2，則擺錘沖斷，則擺錘沖斷試樣失去的位能為試樣失去的位能為ghgh1 1-gh-gh2 2，此，此即為試樣變形和斷裂所吸收的即為試樣變形和斷裂所吸收的功

3、，稱為功，稱為沖擊吸收功沖擊吸收功，以，以a ak k表表示，單位為示，單位為j j。具體的試驗與方。具體的試驗與方法及操作規(guī)范可參考法及操作規(guī)范可參考gb 229-84gb 229-84和和gb2106-80gb2106-80。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性4 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗一、沖擊彎曲試驗 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊彎曲試驗用標(biāo)準(zhǔn)試樣分別為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊彎曲試驗用標(biāo)準(zhǔn)試樣分別為夏比夏比(charpy)u(charpy)u型缺口試樣和夏比型缺口試樣和夏比v v型缺口試樣型缺口試樣，兩種試樣的形狀，兩種試樣的形狀及尺寸

4、如圖所示。所測得的沖擊吸收功分別記為及尺寸如圖所示。所測得的沖擊吸收功分別記為a akuku和和a akv kv 。 另外，測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等另外，測量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料脆性材料的沖擊吸收的沖擊吸收功時，常采用功時，常采用10mm10mml0mml0mm10mm10mm的無缺口沖擊試樣。的無缺口沖擊試樣。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性5 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗一、沖擊彎曲試驗 2.2.多次沖擊彎曲試驗多次沖擊彎曲試驗 實踐表明，即使那些通常承受劇烈沖擊載荷的機實踐表明，即使那些通常承受劇烈沖擊載荷的機件

5、，也很少有只經(jīng)受一次或幾次沖擊就斷裂的。件，也很少有只經(jīng)受一次或幾次沖擊就斷裂的。 當(dāng)試樣破壞前承受的沖擊次數(shù)當(dāng)試樣破壞前承受的沖擊次數(shù)少于少于500-l000500-l000次次，試樣，試樣斷裂的規(guī)律斷裂的規(guī)律與一次沖擊相同與一次沖擊相同； 當(dāng)沖擊次數(shù)當(dāng)沖擊次數(shù)n nl05l05時破壞后具有典型的時破壞后具有典型的疲勞斷口特征疲勞斷口特征。 這表明它是各次沖擊損傷積累的結(jié)果，根本不同于這表明它是各次沖擊損傷積累的結(jié)果，根本不同于一次沖擊破壞的過程，所以多沖抗力不能用一次沖擊破壞的過程，所以多沖抗力不能用akak值簡單值簡單代替。因此，為了解決機件多沖斷裂失效問題，應(yīng)對代替。因此，為了解決機件

6、多沖斷裂失效問題，應(yīng)對材料進(jìn)行小能量的多次沖擊試驗，提出多沖抗力，并材料進(jìn)行小能量的多次沖擊試驗，提出多沖抗力，并研究它的變化規(guī)律。研究它的變化規(guī)律。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性6 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗一、沖擊彎曲試驗 多次沖擊試驗在落錘式多次多次沖擊試驗在落錘式多次沖擊試驗機沖擊試驗機pc-150pc-150上進(jìn)行，沖擊上進(jìn)行，沖擊頻率為頻率為450450周次周次/min/min和和600600周次周次/min/min。沖擊能量靠沖程調(diào)節(jié)而變。沖擊能量靠沖程調(diào)節(jié)而變換換(0.1-1.5j)(0.1-1.5j)，可

7、做多沖彎曲、，可做多沖彎曲、拉伸和壓縮試驗。試驗后可繪制拉伸和壓縮試驗。試驗后可繪制出出沖擊功沖擊功a-a-沖斷次數(shù)沖斷次數(shù)n n曲線曲線，如，如圖圖3-43-4所示。從所示。從a-na-n多沖曲線不難多沖曲線不難看出，看出，隨沖擊功隨沖擊功a a的減少，沖斷的減少，沖斷次數(shù)次數(shù)n n增加增加。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性7 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 1.1.一次沖擊一次沖擊 用試樣缺口處截面用試樣缺口處截面f fn n(cm(cm2 2) )去除去除a akvkv(a(akuku) )

8、，便得，便得到到?jīng)_擊韌度或沖擊值沖擊韌度或沖擊值a akvkv(a(akuku) )，即，即 akv(aku)是一個綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，是一個綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，與材料的強與材料的強度和塑性有關(guān)度和塑性有關(guān)，單位為單位為j/mj/m2 2。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性8 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 人們一直將人們一直將a akvkv(a(akuku) )視為材料抵抗沖擊載荷作用的力視為材料抵抗沖擊載荷作用的力學(xué)性能指標(biāo)，用來學(xué)性能指標(biāo)，用來評定材料的韌脆程度，作為保證機件評定材料的韌脆

9、程度，作為保證機件安全設(shè)計的指標(biāo)安全設(shè)計的指標(biāo)。 但但akv(aku)表示表示單位面積的平均沖擊功值單位面積的平均沖擊功值，是一個，是一個數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)平均量平均量。實際上沖擊試樣承受彎曲載荷，缺口截面上的。實際上沖擊試樣承受彎曲載荷，缺口截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布是極不均勻的，塑性變形和試樣所吸收的應(yīng)力應(yīng)變分布是極不均勻的，塑性變形和試樣所吸收的功主要集中在缺口附近，故取平均值是毫無物理意義的，功主要集中在缺口附近，故取平均值是毫無物理意義的，所以這指標(biāo)目前已不大使用。所以這指標(biāo)目前已不大使用。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性9 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖

10、擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 沖擊功沖擊功a ak k雖可表示材料的變脆傾向，但不能真正反雖可表示材料的變脆傾向，但不能真正反映材料的韌脆程度映材料的韌脆程度。因為用于沖斷試樣的沖擊功。因為用于沖斷試樣的沖擊功a ak k并非并非完全被試樣的變形和斷裂過程所吸收，其中有一部分功完全被試樣的變形和斷裂過程所吸收，其中有一部分功消耗子空氣阻力、機身振動、軸承與測量機構(gòu)的摩擦及消耗子空氣阻力、機身振動、軸承與測量機構(gòu)的摩擦及沖斷試樣的飛出等。沖斷試樣的飛出等。 盡管沖擊吸收功不能真正代表材料的韌性程度，但盡管沖擊吸收功不能真正代表材料的韌性程度，但由于由于它對材料成分、內(nèi)部

11、組織變化十分敏感，而且一次它對材料成分、內(nèi)部組織變化十分敏感，而且一次沖擊彎曲試驗方法簡便易行沖擊彎曲試驗方法簡便易行，所以仍被廣泛采用。，所以仍被廣泛采用。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性10 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 一次沖擊彎曲試驗主要有以下幾方面用途：一次沖擊彎曲試驗主要有以下幾方面用途： 它能反映出原始材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量它能反映出原始材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量。通過測量通過測量a ak k值和對沖斷試樣的斷口分析，可揭示原材料值和對沖斷試樣的斷口分析，可揭示原材

12、料中的氣孔、夾雜、偏析、嚴(yán)重分層和夾雜物超標(biāo)等冶金中的氣孔、夾雜、偏析、嚴(yán)重分層和夾雜物超標(biāo)等冶金缺陷；還可檢查過熱、過撓、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷；還可檢查過熱、過撓、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷。缺陷。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性11 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 測定材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。測定材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)系列沖擊試驗根據(jù)系列沖擊試驗( (低溫低溫沖擊試驗沖擊試驗) )可獲得可獲得a ak k與溫度的關(guān)系曲線，據(jù)此確定材料的與溫度的關(guān)系曲線，據(jù)此確定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以供

13、選材參考或抗脆斷設(shè)計。韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以供選材參考或抗脆斷設(shè)計。對對s s大致相同的材料，根據(jù)大致相同的材料，根據(jù)a ak k值可以值可以評定材料對大能評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性量沖擊破壞的缺口敏感性。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性12 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 2.2.多次沖擊多次沖擊 目前還沒有統(tǒng)一表示多沖抗力的方法，一般用某目前還沒有統(tǒng)一表示多沖抗力的方法，一般用某種沖擊能量種沖擊能量a a下的沖斷周次下的沖斷周次n n或用要求的沖力工作壽命或用要求的沖力工作壽命n n時的沖

14、斷能量時的沖斷能量a a來表示試樣的來表示試樣的多沖抗力多沖抗力。 材料的多沖抗力是一個材料的多沖抗力是一個取決于強度和塑性的綜合取決于強度和塑性的綜合力學(xué)性能力學(xué)性能，它的變化有如下一些規(guī)律。，它的變化有如下一些規(guī)律。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性13 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 沖擊能量高時，材料的多次沖擊抗力主要取決于塑沖擊能量高時，材料的多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時，材料的多沖抗力主要取決于強度。性；沖擊能量低時，材料的多沖抗力主要取決于強度。 多數(shù)受沖擊載荷作用的機件，

15、均在數(shù)萬到數(shù)百萬多數(shù)受沖擊載荷作用的機件，均在數(shù)萬到數(shù)百萬次以上，屬于小能量沖擊，其沖擊抗力主要取決于強次以上，屬于小能量沖擊，其沖擊抗力主要取決于強度，在選材或制定工藝時應(yīng)盡量考慮強度的主導(dǎo)作用，度，在選材或制定工藝時應(yīng)盡量考慮強度的主導(dǎo)作用，不應(yīng)盲目追求塑性和沖擊韌性。不應(yīng)盲目追求塑性和沖擊韌性。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性14 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 圖圖3-53-5為為3535鋼經(jīng)鋼經(jīng)200200和和500500回火的多沖曲回火的多沖曲線兩條曲線在線兩條曲線在10 210 2周

16、次左右處相交。在交點以左，周次左右處相交。在交點以左，經(jīng)經(jīng)500500回火材料的塑性高，回火材料的塑性高，強度低，其沖擊疲強度低，其沖擊疲勞抗力高，壽命長；勞抗力高，壽命長；在交點以右，沖擊在交點以右，沖擊能量低時，經(jīng)能量低時，經(jīng)200200回火材料的強度高，回火材料的強度高，塑性低，其沖疲勞塑性低，其沖疲勞抗力高，壽命長抗力高，壽命長第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性15 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 不同的沖擊能量要求不同不同的沖擊能量要求不同的強度與塑性配合。的強度與塑性配合。 圖圖3-63

17、-6為為4040鋼強度、塑性、鋼強度、塑性、沖擊韌性及不同能量下的沖斷沖擊韌性及不同能量下的沖斷次數(shù)與回火溫度的關(guān)系由圖次數(shù)與回火溫度的關(guān)系由圖可見，可見，4040鋼的沖擊疲勞抗力隨鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度的變化不是單調(diào)的變回火溫度的變化不是單調(diào)的變化，而是在某一溫度下有一個化，而是在某一溫度下有一個峰值，且此峰值隨沖擊能量增峰值，且此峰值隨沖擊能量增加向高溫方向移動加向高溫方向移動第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性16 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 不同的沖擊能量要求不同不同的沖擊能量要求不同

18、的強度與塑性配合。的強度與塑性配合。 說明不同沖擊能量下，要說明不同沖擊能量下，要求的強度與塑性配合不同例求的強度與塑性配合不同例如鍛錘錘桿，原用如鍛錘錘桿，原用45cr45cr鋼油淬，鋼油淬，650650回火，回火，k k值高，強度低，值高，強度低，使用過程中常易折斷，壽命低。使用過程中常易折斷，壽命低。根據(jù)多沖疲勞抗力變化規(guī)律，根據(jù)多沖疲勞抗力變化規(guī)律，改用鹽水淬火加中溫回火，強改用鹽水淬火加中溫回火，強度提高，度提高， k k值降低，使用壽值降低，使用壽命明顯提高命明顯提高第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性17 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌

19、性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 a akvkv值對沖擊疲勞抗力的影響。值對沖擊疲勞抗力的影響。 材料強度不同對沖擊疲勞抗力的影響不同。高強度鋼材料強度不同對沖擊疲勞抗力的影響不同。高強度鋼和超高強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力有較和超高強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力有較大作用；而中、低強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲大作用；而中、低強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力作用不大。勞抗力作用不大。 見圖見圖3-73-7，高強度時，高強度時，bl500mpa，隨，隨aku值值增加，沖擊疲勞抗力顯著增加，沖擊疲勞抗力顯著增大；而低強度時，增大；而低強度時，b

20、l000mpa，隨，隨aku值增加，值增加，沖擊疲勞抗力提高不多。沖擊疲勞抗力提高不多。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性18 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性二、沖擊韌性及其工程意義二、沖擊韌性及其工程意義 a akvkv值對沖擊疲勞抗力的影響。值對沖擊疲勞抗力的影響。 這是因為這是因為中強度鋼中強度鋼的的沖擊韌度已經(jīng)比較高沖擊韌度已經(jīng)比較高，再增加，再增加aku值對提高沖擊疲勞抗力的影響甚微；而對值對提高沖擊疲勞抗力的影響甚微；而對高強度水高強度水平材料，沖擊韌度比較低平材料，沖擊韌度比較低，適當(dāng)提高一些韌性對提高沖，適當(dāng)提高一些韌性對提高沖擊

21、疲勞抗力的影響比較突出。擊疲勞抗力的影響比較突出。 應(yīng)當(dāng)指出，上述沖擊疲勞的規(guī)律都是用應(yīng)當(dāng)指出，上述沖擊疲勞的規(guī)律都是用小試樣試驗小試樣試驗得出的結(jié)果，在應(yīng)用于得出的結(jié)果，在應(yīng)用于大尺寸的實際機件大尺寸的實際機件時，要結(jié)合具時，要結(jié)合具體情況慎重分析，要考慮應(yīng)力狀態(tài)和尺寸效應(yīng)問題，必體情況慎重分析，要考慮應(yīng)力狀態(tài)和尺寸效應(yīng)問題，必要時還要進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，以防發(fā)生脆斷。要時還要進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，以防發(fā)生脆斷。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性19 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性三、沖擊脆化效應(yīng)三、沖擊脆化效應(yīng) 盡管機件在盡管機件在沖擊載荷作用下的

22、沖擊載荷作用下的失效類型失效類型和靜載荷和靜載荷一樣一樣，仍表現(xiàn)為，仍表現(xiàn)為過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂，但在分析沖擊載荷下機件的失效及材料的力學(xué)行但在分析沖擊載荷下機件的失效及材料的力學(xué)行為時必須注意沖擊載荷本身的特性。為時必須注意沖擊載荷本身的特性。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性20 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性三、沖擊脆化效應(yīng)三、沖擊脆化效應(yīng) 靜載荷下機件所受的應(yīng)力，主要與機件的形狀及載荷靜載荷下機件所受的應(yīng)力，主要與機件的形狀及載荷的類型和大小有關(guān)。的類型和大小有關(guān)。 而在沖擊負(fù)荷下，由于負(fù)荷的能

23、量性質(zhì)使整個承載而在沖擊負(fù)荷下，由于負(fù)荷的能量性質(zhì)使整個承載系統(tǒng)承受沖擊能因此，機件及與機件相連物體的剛度系統(tǒng)承受沖擊能因此，機件及與機件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的持續(xù)時間，從而影響加載速度和都直接影響沖擊過程的持續(xù)時間，從而影響加載速度和慣性力的大小慣性力的大小 由于沖擊過程持續(xù)時間很短而測不準(zhǔn)確，由于沖擊過程持續(xù)時間很短而測不準(zhǔn)確，就很難按慣性力計算機件內(nèi)的應(yīng)力所以，沖擊載荷下就很難按慣性力計算機件內(nèi)的應(yīng)力所以，沖擊載荷下的應(yīng)力通常按能量守恒法計算，并假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換的應(yīng)力通常按能量守恒法計算，并假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換成機件內(nèi)的彈性能再計算應(yīng)力和應(yīng)變成機件內(nèi)的彈性能再計算應(yīng)力和應(yīng)變第

24、三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性21 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性三、沖擊脆化效應(yīng)三、沖擊脆化效應(yīng) 靜載荷下機件所受的應(yīng)力，主要與機件的形狀及載荷靜載荷下機件所受的應(yīng)力，主要與機件的形狀及載荷的類型和大小有關(guān)。的類型和大小有關(guān)。 眾所周知，彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的。在眾所周知，彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的。在金屬介質(zhì)如鋼中，聲速達(dá)到了金屬介質(zhì)如鋼中，聲速達(dá)到了4982m4982ms s，而普通擺錘沖，而普通擺錘沖擊試驗時絕對變形速度只有擊試驗時絕對變形速度只有5 55.5m5.5ms s，這樣，沖擊彈，這樣，沖擊彈性變形總能跟上沖擊外力

25、的變化，因而應(yīng)變速率對金屬性變形總能跟上沖擊外力的變化，因而應(yīng)變速率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響材料的彈性行為及彈性模量沒有影響 而應(yīng)變速率對塑而應(yīng)變速率對塑性變形、斷裂及有關(guān)的力學(xué)性能有顯著的影響性變形、斷裂及有關(guān)的力學(xué)性能有顯著的影響第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性22 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性三、沖擊脆化效應(yīng)三、沖擊脆化效應(yīng) 在沖擊載荷作用下，瞬間作用于位錯上的應(yīng)力相當(dāng)高，在沖擊載荷作用下，瞬間作用于位錯上的應(yīng)力相當(dāng)高，結(jié)果造成位錯運動速率增加。因為位錯寬度及其能量與結(jié)果造成位錯運動速率增加。因為位錯寬度及其能量與位錯運動

26、速率有關(guān)。運動速率愈大，則能量愈大，寬度位錯運動速率有關(guān)。運動速率愈大，則能量愈大，寬度愈小，故派納力愈大。結(jié)果愈小，故派納力愈大。結(jié)果滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生附加強化產(chǎn)生附加強化。 由于沖擊載荷下的應(yīng)力水平較高，可使許多位錯源由于沖擊載荷下的應(yīng)力水平較高，可使許多位錯源同時開動，結(jié)果在單晶體中抑制了易滑移階段的產(chǎn)生和同時開動，結(jié)果在單晶體中抑制了易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展此外，沖擊載荷還增加位錯密度和滑移系數(shù)目，發(fā)展此外，沖擊載荷還增加位錯密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯運動自由行程的平均長度，增加點出現(xiàn)孿晶，減小位錯運動自由行程的平均長度，增加點缺陷濃度上述諸點

27、均使金屬材料在沖擊載荷作用下塑缺陷濃度上述諸點均使金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行性變形難以充分進(jìn)行第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性23 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性三、沖擊脆化效應(yīng)三、沖擊脆化效應(yīng) 在靜載下，塑性變形在靜載下，塑性變形較均勻地分布于各個晶粒中較均勻地分布于各個晶粒中。在沖擊載荷下，塑性變形主要集中在某些局部區(qū)域，在沖擊載荷下，塑性變形主要集中在某些局部區(qū)域，這表明沖擊載荷下的塑性變形是這表明沖擊載荷下的塑性變形是極不均勻的極不均勻的。這種不均。這種不均勻情況限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強度和抗拉強勻情況限制了塑

28、性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強度和抗拉強度提高。且屈服強度提高得較多，抗拉強度提高得較少。度提高。且屈服強度提高得較多，抗拉強度提高得較少。 材料塑性相應(yīng)變速率之間并無單值依存關(guān)系，在大材料塑性相應(yīng)變速率之間并無單值依存關(guān)系，在大多數(shù)情況下，缺口試樣沖擊試驗時的塑性比靜載試驗的多數(shù)情況下，缺口試樣沖擊試驗時的塑性比靜載試驗的要低在高速變形時，某些金屬可能顯示出高塑性，如要低在高速變形時，某些金屬可能顯示出高塑性，如密排六方金屬爆炸成型就是如此密排六方金屬爆炸成型就是如此第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性24 3-1沖擊彎曲試驗與沖擊韌性沖擊彎曲試驗與沖擊韌性三、沖擊脆化效

29、應(yīng)三、沖擊脆化效應(yīng) 塑性和韌性隨著應(yīng)變速率增加而變化的特征與斷塑性和韌性隨著應(yīng)變速率增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)。如在一定加載規(guī)范和溫度下，材料產(chǎn)生裂方式有關(guān)。如在一定加載規(guī)范和溫度下，材料產(chǎn)生正斷，則斷裂應(yīng)力變化不大，塑性隨應(yīng)變速率的增加正斷，則斷裂應(yīng)力變化不大，塑性隨應(yīng)變速率的增加而減小。如果材料產(chǎn)生剪斷，則斷裂應(yīng)力隨應(yīng)變速率而減小。如果材料產(chǎn)生剪斷，則斷裂應(yīng)力隨應(yīng)變速率提高顯著增加，塑性可能不變，也可能提高。提高顯著增加，塑性可能不變，也可能提高。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性25 3-2低溫脆性低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆

30、性 系列沖擊實驗在材料研究與生產(chǎn)實際中應(yīng)用較廣，系列沖擊實驗在材料研究與生產(chǎn)實際中應(yīng)用較廣，因為它比其他實驗方法更能靈敏地反映出材料力學(xué)性因為它比其他實驗方法更能靈敏地反映出材料力學(xué)性能隨內(nèi)因和外因變化的差異。能隨內(nèi)因和外因變化的差異。 對某些材料，當(dāng)沖擊實驗分別在低溫、室溫和高對某些材料，當(dāng)沖擊實驗分別在低溫、室溫和高溫下進(jìn)行時可以得到一系列沖擊值溫下進(jìn)行時可以得到一系列沖擊值a ak k( (或或a ak k) )，這種材料，這種材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線，即沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線，即a ak k-t-t或或a ak k-t-t。這種不同。這種不同溫度下的沖擊試驗稱為溫度下的沖擊試驗稱

31、為系列沖擊試驗系列沖擊試驗。據(jù)此可以評定。據(jù)此可以評定材料的低溫脆性、藍(lán)脆和重結(jié)晶脆性等。材料的低溫脆性、藍(lán)脆和重結(jié)晶脆性等。而這些脆性而這些脆性是材料使用中力圖避免出現(xiàn)的，因此系列沖擊試驗有是材料使用中力圖避免出現(xiàn)的，因此系列沖擊試驗有一定的實用意義一定的實用意義第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性26 3-2低溫脆性低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性 系列沖擊實驗證明：系列沖擊實驗證明：體心立方金屬及合金或某些密體心立方金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金排六方晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強，尤其是工程上常用的中、低強度結(jié)構(gòu)

32、鋼，當(dāng)試驗溫度度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)試驗溫度低于某一溫度低于某一溫度t tk k時，材料由時，材料由韌性韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是這就是低溫脆性低溫脆性。轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變溫度t tk k稱為稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度。面心立方金屬及合金面心立方金屬及合金一般一般沒有低溫脆性現(xiàn)象沒有低溫脆性現(xiàn)象，但在但在20-42k20-42k極低溫度下極低溫度下奧氏體鋼及鋁合金有奧氏體鋼及鋁合金有冷脆性冷脆性。高高強

33、度鋼及超高強度鋼強度鋼及超高強度鋼在很寬溫度范圍內(nèi)沖擊吸收功均較在很寬溫度范圍內(nèi)沖擊吸收功均較低，故低，故韌脆轉(zhuǎn)變不明顯韌脆轉(zhuǎn)變不明顯。 第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性27 3-2低溫脆性低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性 實驗中歸納有實驗中歸納有3 3種不同的沖擊吸收功種不同的沖擊吸收功- -溫度關(guān)系曲線。溫度關(guān)系曲線。第一類曲線顯示材料在很寬的實驗溫度范圍內(nèi)都是脆第一類曲線顯示材料在很寬的實驗溫度范圍內(nèi)都是脆性的。如淬火態(tài)的高碳馬氏體鋼。性的。如淬火態(tài)的高碳馬氏體鋼。第二類曲線顯示具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬如銅、鋁等第二類曲線顯示具有面

34、心立方結(jié)構(gòu)的金屬如銅、鋁等材料在很低的溫度下仍具有較高的韌性。這類材料的屈材料在很低的溫度下仍具有較高的韌性。這類材料的屈服強度對溫度和應(yīng)變速率的變化不敏感。服強度對溫度和應(yīng)變速率的變化不敏感。第三類曲線顯示材料在一定溫度區(qū)間產(chǎn)生低溫脆性轉(zhuǎn)第三類曲線顯示材料在一定溫度區(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，及許多珠光體合金，及許多珠光體- -鐵素體兩相鋼。這類材料的屈服強鐵素體兩相鋼。這類材料的屈服強度對溫度和應(yīng)變速率的變化是十分敏感的。度對溫度和應(yīng)變速率的變化是十分敏感的。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材

35、料的沖擊韌性及低溫脆性28 3-2低溫脆性低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性 從宏觀角度分析，材料低溫跪性的產(chǎn)生與其屈服強度從宏觀角度分析，材料低溫跪性的產(chǎn)生與其屈服強度s和斷裂強度和斷裂強度c隨溫度的變化有關(guān)因熱激活對裂紋擴展隨溫度的變化有關(guān)因熱激活對裂紋擴展的力學(xué)條件沒有明顯作用，故斷裂強度的力學(xué)條件沒有明顯作用，故斷裂強度c隨溫度的變化隨溫度的變化很小屈服強度很小屈服強度s隨隨溫度的變化情況與材料溫度的變化情況與材料的本性有關(guān)的本性有關(guān) 具有面心立方結(jié)構(gòu)具有面心立方結(jié)構(gòu)材料的材料的s s隨溫度的下降隨溫度的下降變化不大近似為水平變化不大近似為水平線，即使在很低的

36、溫度線，即使在很低的溫度仍未與仍未與c c曲線相交，故曲線相交，故其脆性斷裂現(xiàn)象不明顯其脆性斷裂現(xiàn)象不明顯第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性29 3-2低溫脆性低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性 從宏觀角度分析，從宏觀角度分析， 具有體心立方或密排六方結(jié)具有體心立方或密排六方結(jié)構(gòu)的金屬或合金的屈服強度構(gòu)的金屬或合金的屈服強度s對溫對溫度變化十分敏感，溫度降低，度變化十分敏感，溫度降低，s s急劇升高，故兩線交于一點，該急劇升高，故兩線交于一點，該交點對應(yīng)的溫度即為交點對應(yīng)的溫度即為t tk k。高于。高于tktk時，時，c cs s，材料受

37、載后先屈服，材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂；低于再斷裂，為韌性斷裂；低于t tk k時，時，外加應(yīng)力首先達(dá)到外加應(yīng)力首先達(dá)到c c，材料表現(xiàn)，材料表現(xiàn)為脆性斷裂為脆性斷裂第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性30 3-2低溫脆性低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性 微觀上，體心立方金屬的低溫跪性與位錯在晶體中運微觀上，體心立方金屬的低溫跪性與位錯在晶體中運動的阻力動的阻力i i，對溫度變化非常敏感有關(guān)，對溫度變化非常敏感有關(guān)，i i在低溫下在低溫下增加，故該類材料在低溫下處于脆性狀態(tài)面心立方金增加，故該類材料在低溫下處于脆性狀態(tài)面心立方金屬因

38、位錯寬度比較大，屬因位錯寬度比較大，i i對溫度變化不敏感，故一般不對溫度變化不敏感，故一般不顯示低溫脆性顯示低溫脆性 體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)，即體心立方金屬的低溫脆性還與遲屈服現(xiàn)象有關(guān)，即對該材料施加一大于對該材料施加一大于s s的高速載荷時材料并不立即產(chǎn)生的高速載荷時材料并不立即產(chǎn)生屈服，而需經(jīng)過一段孕育期才開始塑性變形在孕育期屈服，而需經(jīng)過一段孕育期才開始塑性變形在孕育期間只產(chǎn)生彈性變形而沒有塑性變形消耗能量，故有利于間只產(chǎn)生彈性變形而沒有塑性變形消耗能量，故有利于裂紋的擴展，從而表現(xiàn)為脆性破壞。而具有面心立方結(jié)裂紋的擴展，從而表現(xiàn)為脆性破壞。而具有面心立方結(jié)構(gòu)材料的遲

39、屈服現(xiàn)象不明顯，故其低溫脆性也不明顯構(gòu)材料的遲屈服現(xiàn)象不明顯，故其低溫脆性也不明顯 第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性31 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 因為韌性是材料塑性變形和斷裂全過程吸收能量的因為韌性是材料塑性變形和斷裂全過程吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，因而在特定條件下，能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，因而在特定條件下，能量、強度和塑性都可用來表示韌性。所以，能量、強度和塑性都可用來表示韌性。所以，依照試樣依照試樣斷裂消耗的功、斷裂后塑性變形的大小及斷口形貌均可斷裂消耗的功、斷裂后塑性變形的大小及

40、斷口形貌均可以確定以確定t tk k。 目前尚無簡單的判據(jù)求韌脆轉(zhuǎn)變溫度目前尚無簡單的判據(jù)求韌脆轉(zhuǎn)變溫度t tk k。通常只是。通常只是根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化定義根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化定義t tk k。 為此，需要在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗，根據(jù)為此，需要在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗，根據(jù)試驗結(jié)果作出沖擊吸收功一溫度曲線、試樣斷裂后塑性試驗結(jié)果作出沖擊吸收功一溫度曲線、試樣斷裂后塑性變形量和溫度的關(guān)系曲線、斷口形貌中各區(qū)所占面積和變形量和溫度的關(guān)系曲線、斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線等，根據(jù)這些曲線求溫度的關(guān)系曲線等，根據(jù)這些曲線求t tk k第三

41、章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性32 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 根據(jù)能量判據(jù)和斷口形貌判據(jù)定義根據(jù)能量判據(jù)和斷口形貌判據(jù)定義t tk k ，各種韌脆性，各種韌脆性轉(zhuǎn)變溫度判據(jù)見圖轉(zhuǎn)變溫度判據(jù)見圖3-93-9。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性33 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 按能量法定義按能量法定義2l2l的方法有如下幾種：的方法有如下幾種： (1)(1)當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量基本不當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量基本不隨溫度

42、而變化，形成一平臺，該能量稱為隨溫度而變化，形成一平臺，該能量稱為“低階能低階能”以低階能開始上升的溫度定義以低階能開始上升的溫度定義t tk k ，并記為，并記為ndt(nildu-ndt(nildu-ctilityctility temperature) temperature)，稱為，稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。這是無預(yù)先塑性變形斷裂對應(yīng)的溫度，是最易確定這是無預(yù)先塑性變形斷裂對應(yīng)的溫度，是最易確定t tk k的判的判據(jù)。在據(jù)。在ndtndt以下，斷口由以下，斷口由100100結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)( (解理區(qū)解理區(qū)) )組成。組成。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料

43、的沖擊韌性及低溫脆性34 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 (2)(2)高于某一溫度材料吸收的能量高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個上平臺，也基本不變，形成一個上平臺，稱為稱為“高階能高階能”。以高階能對應(yīng)。以高階能對應(yīng)的溫度為的溫度為t tk k，記為，記為ftp(fractureftp(fracture transition plastic)transition plastic)。高于。高于ftpftp的斷裂，將得到的斷裂，將得到100100的纖維狀斷的纖維狀斷口。顯然，這是一種最保守定義口。顯然，這是一種最保守定義t tk的方法。

44、的方法。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性35 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 (3)(3)以低階能和高階能平均值對應(yīng)以低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度定義，并記為的溫度定義，并記為fte(fracture fte(fracture transition elastictransition elastic。(4)(4)以以a akvkv1515尺磅尺磅(20.3n(20.3nm)m)對應(yīng)的對應(yīng)的溫度定義，并記為溫度定義，并記為v v1515tttt。實踐表。實踐表明，低碳鋼船用鋼板服役時若沖擊明，低碳鋼船用鋼板服役時若沖

45、擊韌性大于韌性大于1515尺磅或在尺磅或在v15tttt 以上工以上工作就不致于發(fā)生脆性斷裂。作就不致于發(fā)生脆性斷裂。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性36 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 (5)(5)沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖3-103-10所示。所示。 如同拉伸試驗一樣，沖擊試樣斷如同拉伸試驗一樣，沖擊試樣斷口也有纖維區(qū)、放射區(qū)口也有纖維區(qū)、放射區(qū)( (結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)) )和剪和剪切唇幾部分，但在不同試驗溫度下，切唇幾部分，但在不同試驗溫度下，3 3個區(qū)之間的相對面積是不同的。溫個區(qū)

46、之間的相對面積是不同的。溫度下降，纖維區(qū)面積突然減少，結(jié)晶度下降，纖維區(qū)面積突然減少，結(jié)晶區(qū)面積突然增大，材料由韌變脆。區(qū)面積突然增大，材料由韌變脆。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性37 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 (5)(5)沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖3-103-10所示。所示。 通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積5050時的溫度為時的溫度為t tk k，并記為，并記為50fatt(fracture appearance transition temp

47、erature)或或fatt50、t50。 50fatt反映了裂紋擴展變反映了裂紋擴展變化特征，可以定性地評定材料在裂化特征，可以定性地評定材料在裂紋擴展過程中吸收能量的能力。實紋擴展過程中吸收能量的能力。實驗發(fā)現(xiàn)，驗發(fā)現(xiàn)，50fatt與斷裂韌度與斷裂韌度kic開始急速降低的溫度有較好的對應(yīng)開始急速降低的溫度有較好的對應(yīng)關(guān)系，故得到廣泛應(yīng)用但此方法關(guān)系，故得到廣泛應(yīng)用但此方法需要目測評定各區(qū)所占面積，受人需要目測評定各區(qū)所占面積，受人為影響較大為影響較大第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性38 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價

48、方法 韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk反映了溫度對韌脆性的影響，是從反映了溫度對韌脆性的影響，是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設(shè)計，韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設(shè)計，但不能直接用來設(shè)計計算機件的承載能力或截面尺但不能直接用來設(shè)計計算機件的承載能力或截面尺寸對于在低溫服役的機件，依據(jù)材料的寸對于在低溫服役的機件，依據(jù)材料的tk值可以直接值可以直接或間接地估計它們的最低使用溫度顯然，機件的最或間接地估計它們的最低使用溫度顯然，機件的最低使用溫度必須高于低使用溫度必須高于tktk，兩者之差愈大愈安全為此，兩者之差愈大愈安全為此，選用的材料應(yīng)該具有一定的韌性溫度儲備選用的材料應(yīng)該具

49、有一定的韌性溫度儲備（=t0-tk，t0為材料使用溫度），為材料使用溫度），值常取值常取2060 對于受沖擊對于受沖擊負(fù)荷的重要機件負(fù)荷的重要機件值取上限；不受沖擊載荷作用的非值取上限；不受沖擊載荷作用的非重要機件重要機件值取下限值取下限 第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性39 3-2低溫脆性低溫脆性二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法二、韌性轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法 上述表明，由于定義上述表明，由于定義t tk k的方法不同，同一材料的方法不同，同一材料所得所得t tk k亦有差異；同一材料，使用同一定義方法。亦有差異；同一材料，使用同一定義方法。由于外界因素由于外界因素(

50、(如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等率等) )的改變，的改變，t tk k也要變化。所以，在一定條件下也要變化。所以，在一定條件下用試樣側(cè)得的用試樣側(cè)得的t tk k，因為和實際結(jié)構(gòu)工況之間無直接，因為和實際結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，不能說明該材料制成的機件一定在該溫度聯(lián)系，不能說明該材料制成的機件一定在該溫度下斷裂。下斷裂。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性40 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 1.1.晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)的影響 體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，面心立方金體心立方金屬及其合

51、金存在低溫脆性，面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性。屬及其合金一般不存在低溫脆性。 體心立方金屬的低溫脆性可能和體心立方金屬的低溫脆性可能和遲屈服現(xiàn)象遲屈服現(xiàn)象有密切有密切關(guān)系。所謂遲屈服是指關(guān)系。所謂遲屈服是指當(dāng)用高于材料屈服極限的載荷以當(dāng)用高于材料屈服極限的載荷以高加載速度作用于體心立方結(jié)構(gòu)材料時，瞬間并不屈服，高加載速度作用于體心立方結(jié)構(gòu)材料時，瞬間并不屈服，需在該應(yīng)力下保持一定時間后才發(fā)生屈服需在該應(yīng)力下保持一定時間后才發(fā)生屈服。且溫度越低，且溫度越低，持續(xù)的時間越長，這就為裂紋的發(fā)生和傳播造成有利條持續(xù)的時間越長，這就為裂紋的發(fā)生和傳播造成有利條件。件。中、低強度鋼的基體是體心立

52、方結(jié)構(gòu)的快素體，故中、低強度鋼的基體是體心立方結(jié)構(gòu)的快素體，故都有明顯的低溫脆性都有明顯的低溫脆性。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性41 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 2.2.化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 間隙溶質(zhì)元素間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。變溫度提高。 這是由于間隙溶質(zhì)元素溶入基體金屬品格中，這是由于間隙溶質(zhì)元素溶入基體金屬品格中，通過與位借的交互作用偏聚于位借線附近形成柯通過與位借的交互作用偏聚于位借線附近形成柯氏氣團，既增加氏氣團，既增加 i，又使，又使k

53、ky y增加，致使增加，致使s s升高，升高，所以鋼的脆性增大所以鋼的脆性增大第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性42 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 2.2.化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 鋼中加入鋼中加入置換型溶質(zhì)元素置換型溶質(zhì)元素(ni(ni、mnmn例外例外) )一般也降低高一般也降低高階能，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但這種影響較間隙溶質(zhì)原子階能，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但這種影響較間隙溶質(zhì)原子小得多。置換型溶質(zhì)元素對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響與小得多。置換型溶質(zhì)元素對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響與i、ky及及s的變化有關(guān)的變化有關(guān)nini減小低溫時

54、的減小低溫時的i和和ky，故故韌性提高同時韌性提高同時nini還增加還增加層錯能，促進(jìn)低溫時螺位層錯能，促進(jìn)低溫時螺位錯交滑移，使裂紋擴展消錯交滑移，使裂紋擴展消耗功增加，故韌性增加耗功增加，故韌性增加若降低層錯能，則促進(jìn)位若降低層錯能，則促進(jìn)位錯擴展或形成半晶錯擴展或形成半晶第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性43 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 2.2.化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素s s、p p、pbpb、snsn、asas等使鋼的韌性下降。等使鋼的韌性下降。這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生

55、這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應(yīng)力所致。沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應(yīng)力所致。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性44 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 3.3.顯微組織的影響顯微組織的影響 晶粒大小晶粒大小 細(xì)化晶?？墒共牧享g性增加。細(xì)化晶?？墒共牧享g性增加。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度與d1/2成線性關(guān)系。研究表明，不成線性關(guān)系。研究表明，不僅鐵素體晶粒大小與韌脆轉(zhuǎn)變溫度呈線性關(guān)系，而且僅鐵素體晶粒大小與韌脆轉(zhuǎn)變溫度呈線性關(guān)系，而且馬氏體板條束寬度、上貝氏體鐵素體條束寬度、原始馬氏體板

56、條束寬度、上貝氏體鐵素體條束寬度、原始奧氏體晶粒尺寸和韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間也呈線性關(guān)系。奧氏體晶粒尺寸和韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間也呈線性關(guān)系。減小亞晶粒和腦狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高材料的韌性減小亞晶粒和腦狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高材料的韌性 細(xì)化晶粒提高韌性的原因有：晶界是裂紋擴展的細(xì)化晶粒提高韌性的原因有：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集阻力；晶界前塞積的位錯數(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。產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性45 3-2低溫脆

57、性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 3.3.顯微組織的影響顯微組織的影響 金相組織金相組織 在較低強度水平，強度相同而組織不同在較低強度水平，強度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以回火索氏體的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。此外，球化處理能改善鋼的韌性。此外，球化處理能改善鋼的韌性。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性46 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 3.3.顯微組織的影響顯微組

58、織的影響 在較高強度水平時。中、高碳鋼經(jīng)等溫淬火獲得下貝氏在較高強度水平時。中、高碳鋼經(jīng)等溫淬火獲得下貝氏體組織，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)于同強度的淬火馬體組織，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度優(yōu)于同強度的淬火馬氏體并回火的組織。氏體并回火的組織。 在相同強度水平，典型上貝氏體的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于下在相同強度水平，典型上貝氏體的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于下貝氏體的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。但低碳鋼低溫上貝氏體貝氏體的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。但低碳鋼低溫上貝氏體(b(b1 1) )的韌性的韌性卻高于回火馬氏體的韌性，這是由于在低溫上貝氏體中滲碳卻高于回火馬氏體的韌性，這是由于在低溫上貝氏體中滲碳體沿奧氏體晶界的析出受到抑制，減少了

59、晶界裂紋所致。體沿奧氏體晶界的析出受到抑制，減少了晶界裂紋所致。第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性47 3-2低溫脆性低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素三、影響材料低溫脆性的因素 3.3.顯微組織的影響顯微組織的影響 在低碳合金鋼中，經(jīng)不完全等溫處理獲得貝氏體和在低碳合金鋼中，經(jīng)不完全等溫處理獲得貝氏體和馬氏體的混合組織，其韌性比單一馬氏體或單一貝氏體組馬氏體的混合組織，其韌性比單一馬氏體或單一貝氏體組織要好織要好 這是因為貝氏體先于馬氏體形成，優(yōu)先將奧氏體這是因為貝氏體先于馬氏體形成，優(yōu)先將奧氏體晶粒分割成幾部分，使隨后形成的馬氏體限制在較小范圍晶粒分割成幾部分，使隨后形成的馬氏體限制在較小范圍內(nèi)，從而獲得了極為細(xì)小的混合組織，裂紋在此種組織內(nèi)內(nèi)，從而獲得了極為細(xì)小的混合組織，裂紋在此種組織內(nèi)擴展要多次改變方向，