第03章 金属在冲击载荷下的力学性能

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1、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§3.3低温脆性及韧脆转变温度§3.4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素1冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）应变速率=de/dτe为真应变静拉伸试验=10-5～10-2s-1冲击试验=102～104s-1一般情况下=10-4～10-2s-1，可按静载荷处理。2§3.1冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、冲击失效的特点（1）过程与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。通常

2、假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。∵弹性变形的速度4982m/s（＞声速340m/s）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。3二、影响冲击性能的微观因素（1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，材料的冲击韧性↑。（2）同时开动的位错源增加。∴屈服强度提高得较多。（3）内部的塑性变形不均匀。塑性变形的传播速度取决于位错的运动速度及增殖速度，在冲击载荷下，塑性变形来不及充分、均匀地进行；实验也证明：冲击载荷下塑性变形集中于某些局部区域，分布极不均匀。4原因：冲击瞬间位

3、错运动的应力↑↑→许多位错源同时开动→位错密度↑→派纳力↑→滑移的临界切应力↑，满足条件的晶粒少。冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高5缺口试样在冲击载荷下的力学性能增加应变速率，抗拉强度也随之增加。6三、冲击断口同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区。若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。即：纤维区—放射区—纤维区—剪切唇。∵裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。∴形成纤维区。7§3.2冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性及其作用1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。单位，J/cm

4、22、作用（1）揭示冶金缺陷的影响；（2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。（3）评定低温脆性倾向。8二、冲击试验冲击实验机9摆锤5、10、15、30kg，试样尺寸55×10×10mm，试样跨距45mm；无缺口，有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。铸铁（QT、白口铁）110×20×20mm，跨距70mm，无缺口。10冲击试样：11试样：10×10×55(mm)；开有2mm深的U形或V形缺口，分别称为梅氏试样或夏氏试样，特脆材料可不开缺口。U型缺口冲击试验原理：能量原则——摆锤冲断试样前后所产生的能量损失AK(J)；AK=mg(H1

5、-H2)αK=AK/FF=8×10(mm2)12冲击韧性αK值的应用：㈠评定材料的冶金质量及热加工质量及组织缺陷:---冲击韧性αK值对其非常敏感1.夹杂（渣）、气泡、带状偏析；2.过热、过烧、氧化、脱碳、网状组织、粗大碳化物、白点、回火脆性、淬火裂纹、锻造裂纹、压力加工后组织的各向异性等等；对组织缺陷：αK最为敏感；塑性指标δ、ψK敏感，强度指标σb、σS较为敏感；而弹性模量E对组织不敏感。13㈡评定材料在不同温度下的脆性转化趋势：——系列冲击试验1.低温系列温度冲击试验：测定评价材料的冷脆转变成份、热处理及压力加工工艺完全相同的试样分组分别在不

6、同的温度T℃下进行冲击韧性αK值的测试：测试温度范围由-60℃(或-80℃)—+40℃，测出每组的αK值(平均)，作出其αK—T℃变化关系曲线，称为系列冲击曲线。可由曲线得到冷脆转变温度FATT（断口有50%脆断区或结晶断裂区）或TK142.回火系列温度冲击试验：测定评价材料的回火脆性同一成分及状态的试样，经淬火处理后分别在一系列不同的温度T℃下回火，再在常温进行冲击韧性αK值的测试：作出其αK与回火T℃的变化关系曲线，称为回火系列温度冲击曲线，找到其相应的回火脆性的温度范围。15（2）小能量多冲击磨球的冲击等单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、

7、断裂（3）落锤试验模拟试验，半定量测定材料的性能。16§3.3低温脆性及韧脆转变温度一、低温脆性现象在低温下，材料的脆性急剧增加。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。FCC金属，位错宽度比较大，一般不显示低温脆性。17冷脆转变现象：bcc或hcp的金属及其合金，当温度T℃低于某一温度TK时，材料将由韧性状态转变为脆性状态：其αK值明显下降；断口形貌特征由纤维状(微孔聚集撕裂状)转变为结晶状(或解理断口)。该现象称为冷脆转变或低温脆性，TK为冷(韧)脆转变温度。对一些可能在低温下使用的机件，其用材必须考虑冷

8、脆转变的影响，如船舶、桥梁、压力容器、汽车、航空航天、坦克、工程机械等。东北动车18冷脆转变的物理本质:σS和σc与温度T