材料力学性能教学课件ppt材料在冲击载荷下的力学性能

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1、1主讲人:张宁2一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点二、冲击弯曲和冲击韧性三、低温脆性四、影响韧脆转变温度的冶金因素第三章金属在冲击载荷下的力学性能3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加载速率定义：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来表示本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学行为特点，主要讨论缺口试样冲击弯曲试验方法和金属材料的低温脆性。第三章金属在冲击载荷下的力学性能4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

2、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。第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点5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。第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点6第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点7冲击韧性的定义：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用标准试样的冲击吸收功Ak表示。第二节冲击弯曲和冲击韧

3、性8试验在摆锤式冲击试验机上进行。试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为J。第二节冲击弯曲和冲击韧性9第二节冲击弯曲和冲击韧性对于冲击试样，我国过去和前苏联都采用梅氏试样，美国和日本等过则采用夏氏试样。现在我国国家标准则融合梅氏和夏氏两种类型为一体，分别成为夏比（Charpy）U形缺口试样和夏比V形缺口试样。用不同缺口试样测得的冲

4、击吸收功分别记为Aku和AKV。10第二节冲击弯曲和冲击韧性测量铁球或工具钢等脆性材料的冲击吸收功，常采用10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样。11冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆程度：这是由于缺口试样吸收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Ak值相差10-30%。第二节冲击弯曲和冲击韧性12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

5、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。(2)根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。第二节冲击弯曲和冲击韧性1313冲击韧性的应用：经验数据，参考价值举例：调质处理的45＃钢Ak＝78J/cm2，而球墨铸铁Ak＝15J/cm2。单纯从数值上看，球墨铸铁冲击韧性值远小于45＃钢。然而它们都具有良好的韧性，都可以作为活塞连杆材料使用。AK值不能象屈服强度那样作用强度设计指标，具有“不可设计性”。只能作为经验数据使用。1414冲击断裂过程PGY之前，弹

6、性变形PGY后，塑性变形；载荷增大到Pmax，塑性变形区逐渐扩展到整个缺口面（塑性区为图中红色虚线和缺口面之间面积）；在Pmax附近，应力最大点位于红色虚线上；因此在此处产生裂纹；随后裂纹向前和向后同时扩展；扩展机制是微孔聚集型，形成图中“脚跟形纤维状区”；此过程中材料承载面积减小，载荷逐渐下降到PF。PGYPmaxPFPD位移载荷1515载荷达到PF后，裂纹迅速以解理断裂方式快速扩展，在材料中形成“放射形结晶状区”；这时材料承载面积迅速减小，载荷也迅速降低到PD。载荷达到PD后，裂纹扩展到样品边缘，产生平面应力状态，形成剪切唇区。PGYPmaxPFPD位移载荷冲击断裂过程16

7、16冲击断口包含纤维区、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1—放射区—纤维区2—剪切唇纤维区2（红色区域）形成原因：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，最终形成纤维区2。冲击断口冲击断口形貌示意图17一、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tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，