金属在冲击载荷下的力学性能

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1、1/29第三章金属在冲击载荷下的力学性能冲击：以很大的速度将负荷作用到机器零件上去的一种加载方式。单位时间内应变的变化量s-1力性发生显著变化力性未显著变化2/29一、冲击失效的特点(1)包括弹性变形，塑性变形，断裂；(2)吸收的冲击能测不准；时间短；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。(3)变形速度对金属材料的弹性行为及弹性模量无影响；§3.1冲击载荷下金属变形和断裂的特点3/29(4)冲击载荷下，屈服强度和变形抗力提高；(5)塑性变形的不均匀增加，尤其是多晶体金属—塑性变形往往集中在某些晶

2、粒内。原因：冲击瞬间位错运动的应力↑↑→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。4/29希望测得冲击载荷下的变形抗力、变形能力，即动屈服点、动伸长率等——难将冲击载荷作为能量载荷处理——测定材料承受冲击能量的能力。冲击韧性指的是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来表示。§3.2冲击弯曲和冲击韧性5/29一、冲击弯曲试验(冲击韧性试验)韧性材料，开缺口：夏比U型缺口和V型缺口。脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具钢等。标准试样尺寸：10

3、mm×10mm×55mm。6/297/29二、冲击吸收功和冲击韧度1、冲击吸收功Ak为冲断试样过程中所消耗的功。2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)akF：试样缺口(折断处)的原始截面积。8/293、讨论(1)通常将Ak、ak作为衡量材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，Ak、ak值越大，材料的韧性越好。(2)无论Ak还是ak均不能完全真正反映材料的韧脆程度。Ak＝试样断裂吸收的能量+试样掷出功+机座振动功＋……＝弹性变形功Ae+塑性变形功Ap+断裂功Ad。对韧性有贡献。9/29(3)ak物理意义不明确除了与材料

4、本性有关外，很大程度上取决于参加塑性变形的体积而不仅仅是缺口(折断处)的原始截面积；另外，对于有缺口试样，由于缺口截面上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak是一个纯数学量。直接用Ak更有意义。10/29(4)Ak、ak不能真实反映一般零件承受上千万次冲击载荷的能力只有承受大能量冲击的零件，如炮弹，装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大部分零件的工作状态还承受小能量多次重复冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。11/29三、冲击弯曲试验用途

5、1、能反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量—ak对材料品质、宏观缺陷、显微组织敏感；2、根据冲击试验得到Ak(ak)－T曲线，测定材料的韧脆转变温度，从而可以评定材料的低温脆性倾向；3、对σs大致相同的材料，根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。12/29一、低温脆性(冷脆)现象1、低温脆性及韧脆转变温度金属或合金，当温度低于某一温度tk时，Ak明显↓，转变为脆性状态，该现象称为低温脆性(冷脆)。——多为bcc、hcp结构。韧脆转变温度tk：冲击韧性显著下降的温度，是衡量材料冷脆转化倾向的重要指标。

6、§3.3低温脆性13/292、低温脆性(冷脆)的物理本质材料的屈服强度随温度降低急剧增加，而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小，两者相交于tk。图3-1屈服强度和解理断裂强度随温度的变化14/29当t>tk时，σc>σs，随外力↑，先屈服，后断裂→韧性断裂。当t

7、的大小、断口形貌等确定tk。1、按能量定义tk(1)以低阶能定义tk，NDT(nilductilitytemperature)——无塑性或零塑性转变温度。低于NDT，断口由100%结晶区组成。16/29图3-2各种韧脆转变温度判据17/29(2)以高阶能定义tk，FTP(fracturetransitionplastic)高于FTP，断口由100%纤维区组成。(3)以低阶能和高阶能平均值来定义tk：FTE(fracturetransitionelastic)18/292、按断口形貌定义tk的方法冲击试样断口一般也存在

8、三个区：纤维区、放射区、剪切唇。图3-3冲击断口形貌示意图19/29通常取结晶区面积占整个断口面积50%时的温度为tk。并记为50%FATT(fractureappearancetransitiontemperature)或FATT50、t50。优点：反应了裂纹扩展变化的特征，与断裂韧度KIC急剧变化的温度较好对应。缺点：测量受人为影响较大。2