材料力学性能第三章-金属在冲击载荷下的力学性能.ppt

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1、江苏科技大学材料科学与工程学院第三章金属在冲击载荷下的力学性能Titanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。3第三章金属在冲击载荷下的力学性能工程中，有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。冲击载荷与静载的主要差异：加载速率不同，加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。4因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间

2、的变形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。断裂原因：材料缺陷疲劳冲击载荷飞机起落架6缺口冲击载荷降低温度钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的断裂功极

3、低，后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。（脆断趋势）7§3-1冲击载荷下金属变形和断裂的特点1、冲击载荷下，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。2、由于冲击过程持续时间短，测量不准确，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。83、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。因弹

4、性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s，冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。94、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行，原因为：⑴冲击载荷下位错运动速率大，滑移临界切应力增大，产生附加强化；使许多位错源同时起作用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。⑵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。10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

5、性变形不均匀。冲击载荷下屈服强度抗拉强度提高5、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。116、塑性、韧性随应变率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，随应变率的增加塑性减小；如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。12§3-2冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。二、冲击试样如图所示1、冲击弯曲试验试样的种类：夏比v型缺口冲击试样夏比u型缺口冲击试样无缺

6、口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）缺口试样132、冲击试样开缺口的目的使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，Ak值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互换算和直接比较。14三、冲击弯曲试验1、冲击试验：国家标准GB/T229－2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。K＝mg(H1-H2)对采用u型缺口和v型缺口的试样，其冲击吸收功分别用Aku和Akv来表示。试验前需对试验机进行校核。旧标准使用ak（冲击韧性）作为性能指标。15四、冲击值的

7、意义和讨论1、ak值没有明确的物理意义其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用单位面积吸收的能量ak来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够明确。162、Ak或K值相同的材料，其韧性不一定相同因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小。（图）173、冲击吸

8、收能量K（冲击吸收功AK）并非完全用于试样变形和破断。冲击试验时，摆锤所消耗的总功k一部分用于试样的变形和破断。另一部分消