《工程材料物理性能（第2版）》 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前言：冲击载荷静载荷的主要区别：加载速率不同。形变速率（单位时间内的变形量）可间接地反映出加载速率的变化。相对形变速率又称为应变率（单位时间内应变的变化量）。许多机件在实际服役时受冲击载荷的作用（如汽车行驶通过道路上的凹坑、急刹车，飞机起飞和降落，金属压力加工（锻造等）。实践表明：应变率在10-4~10-2S-1内，金属力学性能没有明显的变化，可按静载荷处理。当应变力大于10-2S-1时，金属力学性能将发生显著变化。为了评定金属材料传递冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载荷作用下的力学

2、行为，需要进行相应的力学性能试验。第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点（作图P70，图3-1）冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。冲击载荷下：应力水平较高，许多位错源同时启动，抑制易滑移阶段的产生和发展；增加位错密度，减少位错运动自由行程增加点缺陷浓度等。导致强度提高。塑性与韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。正断：减少；剪断：不变或提高。第二节冲击弯曲和冲击韧性1.冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK表示。2.试验原理：3.冲击弯曲试验主要

3、用途:（冲击吸收功AK的大小不能真正反映材料的韧脆性程度。原因是缺口试样冲击吸收的功没有完全用于试样变形和破断，其中有一部分功消耗于试样掷出、机身振动空气阻力等。此外，根据断裂理论，断裂类型取决于裂纹扩展过程中所消耗的功（断裂功），消耗的功大，则断裂表现为韧性，反之则为脆性。但AK值相同的材料，断裂功并不一定相同）。由于AK对材料内部的组织变化十分敏感，且试验方法简便，所以仍被广泛采用。主要用途有：（1）反映材料的冶金质量和热加工后的产品质量。（2）根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得出AK与温度的关系曲线，测定

4、材料的韧、脆性转变温度。（3）对于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。第三节低温脆性1.低温脆性现象（1）现象：体心立方与某些密排六方金属、合金中常见。（2）实践中有三种不同的冲击吸收功-温度关系曲线。第一类：很低温度下韧性仍比较高；面心立方金属与合金，如铜、铝等。第二类：在很宽的试验温度下都呈现脆性，如高碳马氏体钢。第三类：在一定温度区间内产生低温脆性转变，如体心立方与某些密排六方金属、合金中常见。（3）原因：温度影响位错在晶体中运动的磨擦阻力，降低温度，阻力上升。材料变脆。

5、（图3-5，P73）两个强度指标：屈服强度受温度影响大；断裂强度受温度影响小（主要与裂纹扩展有关）。2.韧脆转变温度tR韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，是强度与塑性的综合表现，因此在特定条件下，能量、强度和塑性都可用于表示韧性。目前尚无简单的判据求韧脆转变温度tR通常根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义。方法：不同温度下作冲击弯曲试验。得出冲击功-温度曲线；断口形貌中各区所占面积-温度曲线；塑性变形量-温度曲线等。3.根据能量判据与断口形貌判据定义tR的方法：图3-6P73低阶能—当低

6、于某一温度，材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为低阶能。高阶能—当高于某一温度，材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为高阶能。（1）以“低阶能”开始上升的温度定义为tR（记为NDT，NilDuctilityTemperature）称为无塑性或零塑性转变温度。（这是无预先塑性变形断裂对应的温度，在NDT以下，断口由100%的结晶区组成。（2）以“高阶能”对应的温度为tR（记为FTP,FractureTransitionPlastoc）高于FTP下的断裂，将得到100%纤

7、维状断口（零解理断口）。（3）以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tR。（记为FTE,FractureTransitionElastic）（4）断口形貌判据：通常以结晶区面积占整个断口面积50%时的温度定义为tR记为50%FATT,(FractureAppearanceTransitionTemperature)或FATT50或t50断口上各区面积按国家标准规定认定。NDT,FTE,FATT50,与塑性指标，冲击韧性指标同属安全性指标。三落锤试验与断裂分析图普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状态，

8、而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。50年代初，美国海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随试样温度下降，其力学行为发生如下变化。1.不裂；2.拉伸侧表面部分形成裂纹，但末发展到边缘；3.拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边；4.试样断成两部分。一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边