材料力學(xué)性能第三章

材料力學(xué)性能第三章第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日本章的意義：生產(chǎn)中很多機(jī)件和工具受沖擊載荷作用，為了評(píng)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第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性變形速率：υ=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。靜拉伸的應(yīng)變速率在10-5～10-2S-1,當(dāng)應(yīng)變速率大于10-2S-1，材料的力學(xué)性能將發(fā)生顯著的變化。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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(duì)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。下屈服點(diǎn)低碳鋼第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率對(duì)鋁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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：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。第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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。第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率對(duì)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)斷面收縮率第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性應(yīng)變速率對(duì)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)延伸率和斷面收縮率第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日二、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(cè)定試樣的沖擊功。

2加載方式：利用擺錘的勢(shì)能，如下圖所示，測(cè)量試樣變形和斷裂所吸收的功稱為沖擊吸收功。用AK表示，AK＝mg（H1-H2），單位為焦耳J。

第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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。第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖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(cè)量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊功時(shí)常采用10mm×10mm×55mm的無缺口試樣。第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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αKV和αKU，即

,單位為J/cm2。第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性

注意：（1）αKV和αKU不能進(jìn)行對(duì)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）

第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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）＋空氣阻力＋機(jī)身振動(dòng)＋軸承與測(cè)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。第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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(píng)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第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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)變第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性

沖擊韌性的意義：沖擊韌度（沖擊值αKV和αKU）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。

第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性韌性材料的沖擊試樣斷口裂紋源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PF第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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①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②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③強(qiáng)度低并具有較大的抵御裂紋擴(kuò)展的能力第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性四、多次沖擊實(shí)驗(yàn)當(dāng)沖擊次數(shù)N<500~1000時(shí)，試樣斷裂規(guī)律與一次沖擊相同。當(dāng)沖擊次數(shù)N>105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)度第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第一節(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(píng)定材料的冷脆傾向(韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。3、對(duì)于σs大致相同的材料，可以評(píng)定材料對(duì)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)。第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(cè)定沖擊功，可得到這種材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。這種不同溫度下的沖擊試驗(yàn)稱為系列沖擊試驗(yàn)。第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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。

第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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：淬火態(tài)高碳馬氏體鋼如：正火態(tài)20鋼第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(duì)溫度和應(yīng)變速率的變化不敏感；第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(duì)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。第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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)。σs、σs’和σc隨溫度變化示意圖σs：體心立方金屬等材料的屈服強(qiáng)度σs’：面心立方金屬等材料的屈服強(qiáng)度σc：材料的斷裂強(qiáng)度第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性體心立方金屬及其合金、某些密排六方金屬及其合金，這類材料的屈服強(qiáng)度對(duì)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。第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(duì)溫度變化較不敏感，故一般不顯示低溫脆性。

霍耳—配奇(Hall-Petch)公式第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(duì)材料施加一高速載荷到高于σs，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。第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性缺口的存在會(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(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響。缺口對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響缺口的存在對(duì)材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評(píng)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)，脆性斷裂不會(huì)發(fā)生。第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性1、低溫拉伸試驗(yàn)低溫缺口敏感度N來評(píng)定低溫脆性，并確定tk。缺口試樣低溫抗拉強(qiáng)度光滑試樣低溫屈服強(qiáng)度N＝1時(shí)，為缺口試樣的tk。第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性評(píng)價(jià)方法：能量法

2、低溫沖擊試驗(yàn)(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(tái)，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。第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(tái)，稱為“高階能”。以高階能對(duì)應(yīng)的溫度為tk，記為FTP。第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性(3)以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義，并記為FTE。第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性(4)與某一固定的能量對(duì)應(yīng)的溫度。如以Akv＝15尺磅(20.3J)對(duì)應(yīng)的溫度定義，并記為V15TT

。低碳鋼船用鋼板第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(duì)應(yīng)的溫度。第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性沖擊斷口形貌示意圖第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

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(cè)得的tk，因?yàn)楹蛯?shí)際結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，不能說明該材料制成的機(jī)件一定在該溫度下斷裂。第二節(jié)低溫脆性第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性兩種鋼材的沖擊轉(zhuǎn)變曲線韌性溫度儲(chǔ)備△t＝t0-tk（20～60℃）t0為工作溫度第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性3、落錘試驗(yàn)

缺口沖擊試驗(yàn)雖然測(cè)量簡(jiǎn)單方便，試驗(yàn)成本也低，但其測(cè)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。第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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(duì)其沖擊。錘的沖擊能量是根據(jù)板材厚度和材料的屈服強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)決定的。

落錘試驗(yàn)示意圖焊堆長×寬×厚64×15×4mm第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日根據(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(jiǎn)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。第二節(jié)低溫脆性第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(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)。第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性三、影響材料低溫脆性的因素

1晶體結(jié)構(gòu)bcc有冷脆，fcc無冷脆

2化學(xué)成分間隙溶質(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。

第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日3晶粒大小

βtk=lnB-lnC-lnd-1/2

β、B、C－為常數(shù)，β與σi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。第二節(jié)低溫脆性第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)低溫脆性鐵素體晶粒尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星