3 金属在冲击载荷下的力学性能

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1、材料力学性能武汉科技大学材料与冶金学院吴志方E-mail：wuzhifang@wust.edu.cnTel：635963093金属在冲击载荷下的力学性能材料的力学性能与本身的性质有关韧性材料、脆性材料韧、脆的相对性韧脆影响因素(1)温度的影响(低温脆性)(2)应力状态的影响(三向拉应力状态)(3)变形速率的影响(冲击脆断)韧、脆性评价方法：材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性材料低温脆性导致事故举例(1)“泰坦尼克”号的沉默事故(2)Libertyship/Victoryship美国在WoldWarII建造的约1万吨级的运输船(weldlibertyship2711)(3)T-2Tanker

2、s美国在WoldWarII建造的油槽船冬天突然断裂；(4)西伯利亚铁路断轨事故，美国电影《日瓦格医生》(1965年诺贝尔文学奖)事故原因分析事故原因分析：开始于二十世纪四十年代中后期至五十年代初研究表明造成上述破坏的主要原因为：(1)焊接缺陷造成局部应力集中(三向应力状态)，三向应力状态使材料脆性增加；(2)低温工作环境，低温脆性；影响：tanker，pressurevessels，pipelines，bridges。事故防止措施构造上一般可以采用铆接构造，这种构造比焊接构造好，例如飞机的结构，这种构造中即使产生裂纹，也不至于波及整个构件造成严重的破坏后果，但是，这种构造成本高。焊接构造，一般

3、采用严格的质量控制措施(焊接认证和资质、焊接质量检测、先进的焊接工艺)。变形速率冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度(幅度和频率)。应变率ε=de/dτ，e为真应变；静拉伸试验：ε=10-5~10-2s-1；冲击试验：ε=102~104s-1；一般情况下：ε=10-4~10-2s-1，可按静载荷处理。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、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。一、冲击失效的特点3、应变速率对材料的弹性行为及弹性模量无影响。弹性变形的速

4、度4982m/s(>声速)；普通摆锤冲击试验时绝对变形速度为5~5.5m/s。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。3.2冲击弯曲和冲击韧性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。常用标准试样的冲击吸收功AK表示，单位为J。2、作用揭示冶金缺陷的影响；对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。评定低温脆性倾向。二、冲击试验冲击实验机3.3低温脆性一、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

5、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。二、韧脆转变温度tK1、按能量法定义tK的方法2、按断口形貌定义tK的方法断口的形貌：50%纤维；变形特征。三、落锤试验和断裂分析图测定材料的NDT：即无塑性转变温度优点：方法比较简单，数据的重现性高，故被广泛采用并正标准化。缺点：不能定量评定脆性断裂；未考虑板厚的影响。3.4影响韧脆转变温度的冶金因素一、晶体结构FCC不存在低温脆性。BCC和某些HCP的低温脆性严重。(Sn)位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能↑，韧性↑。形成柯氏气团，韧性↓。二、化学成分间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于位错线

6、附近，阻碍位错运动，导致屈服强度的升高，钢的韧脆转变温度升高。钢中加入置换型溶质元素一般也提高韧脆转变温度，但Ni和一定量的Mn例外。Ni减小低温时位错运动的摩擦阻力，还增加层错能，故提高低温韧性。杂质元素S、P、As、Sn、Sb等降低钢的韧性。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。三、显微组织1、晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加。细化晶粒提高韧性的原因：(1)晶界是裂纹扩展的阻力；(2)晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；(3)晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。2、金相组织较低强度水平时(如高温回火)，强度相等而

7、组织不同的钢，其冲击吸收功Ak与tk以马氏体高温回火(回火索氏体)最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。球化处理可改善钢的韧性。在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则Ak与tk优于同强度的淬火回火组织。在相同强度水平下，典型上贝氏体的tk优于下贝氏体。钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降