第3章 材料在冲击载荷下的力学性能

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1、材料性能学1一14周材料性能学第三章金属在冲击载荷下的力学性能材料性能学许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。形变速率：单位时间的变形量。加载速率提高，形变速率也增加。相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的

2、变化量。de冲击载荷102－104s-1d静载荷10-5－10-2s-1材料性能学一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为4982m/s）能紧跟上冲击外

3、力（5m/s）的变化，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲击载荷下难以发生塑性变形。材料性能学1.1应变速率对塑性变形的影响金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因：1.由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。2.冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。材料性能学纯铁的应力－应变曲线1－冲击载

4、荷1.2应变速率对强度的影响2－静载荷静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高。应变速率对18Ni马氏体时效钢强度的影响材料性能学1.3应变速率对塑性和韧性的影响塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑

5、性的变化不一定，可能不变或提高。应变速率对18Ni马氏体时效钢塑性的影响应变速率对35CrNiMoV钢塑性的影响材料性能学二、冲击弯曲和冲击韧性为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功A表示。K冲击弯曲试验标准试样是U形或V形缺口，对应的冲击吸收功分别记为A和A冲击弯曲试验原理图KUKV材料性能学冲击吸收功A的大小不能真正反映材料的K韧脆程度：原因：缺口试样吸收

6、的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的A值相差10-30%。k材料性能学冲击弯曲试验的主要用途有两点：(1)控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析，可揭示原料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。JB-S300数显冲击试验机(2)根

7、据系列冲击试验（低温冲击试验）可得A与温度的关系k曲线，测定材料的韧脆转变温度。材料性能学三、低温脆性3.1低温脆性现象定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收k功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果材料性能学低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧

8、增加的结果。σc见右图，屈服点随着温度的下降而升高，但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小，两线交点对应的温度就是韧屈服强度和断裂强度随温度变化示意图脆转变温度t。k温度高于t时，σ＞σ，材料先屈服后断裂，为韧性断裂；kcs温度低于t时，σ＜σ，材料先断裂，为脆性断裂；kcst时实际上是一个温度区间k材料性能学3.2韧脆转变温度冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线A急剧减小k拉伸试验，应力－应变曲线σ急剧增加s试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线（