工程材料力学性能第三章解读.ppt

第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 前言 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面积。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、形状和体积有关。 ●冲击载荷和静载荷的主要区别在于加载速率不同。 ●加载速率：指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。 增长率σ=dσ/dt表示，单位为MPa／s 形变速率：单位时间内的变形量。 变形量:绝对变形量、相对变形量 形变速率：绝对形变速率 、相对形变速率，后者应用较为广泛。 绝对变形速率以单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt， 单位为m／s。 相对形变速率即应变率，是单位时间内应变的变化量， ? ε=dε/dt，单位为s-1。 实践表明：应变率在10－4一10－2S-1，金属力学性能变化不大，按静载荷处理; 当应变率大于10－2S-1时，力学性能显著变化. 冲击力学性能试验方法揭示金属材料冲击时的脆断趋势 本章主要内容： 介绍金属材料在冲击载荷下力学行为的特点; 讨论缺口试样冲击弯曲试验方法; 了解金属材料的低温脆性。 第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 冲击载荷下的失效类型：过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。 ?一 弹性变形：应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 ●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械冲击时的绝对变形速率在103m／s以下。在弹性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率对金属的弹性性能没有影响。 二 塑性变形:应变率对塑性变形、断裂及有关的力学性能却有显著影响。 ?塑性变形：金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。 ●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑性变形不能充分进行。 1．冲击载荷下，瞬时位错上高应力，位错运动速率增加,派纳力增大，滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。 2．冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展。 3．冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程平均长度，增加点缺陷浓度。 4．在静载荷下，塑性变形比较均匀地分布在各个晶粒中，冲击载荷下，塑性变形则比较集中在某些局部区域，塑性变形是极不均匀的。 不均匀的情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强度(和流变应力)、抗拉强度提高，且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。 三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的强度关系随温度的增加而增加。 图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响 第二节 冲击弯曲和冲击韧性???? ???????? ??????????? 不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的； 零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的应力和应变也愈小。 含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多的能量，使局部应变和应变速率大为升高。 另一个特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑性。 ???????????? ??? 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力学性能。 三个材料脆化因素：缺口、低温、髙应变速率。 缺口是主要因素。 一 缺口试样冲击弯曲试验原理 ?摆锤式冲击试验机：应变速率可达103S-1 综合＝缺口＋低温＋高应变速率，这三个因素对材料脆化的影响 使材料韧性状态→脆性状态 ，比较材料因成分、组织的改变产生的脆断倾向。 缺口试样的形状有两种 梅氏（中国和苏联过去用） 夏氏（美国和日本） 我国现行标准： 夏氏U型：冲击功AKU ?夏氏V型，冲击功AKv 注意：不同的试验条件， 不能对比。 1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， ? 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单位为J。 冲击韧性：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，常用标准试样的冲击吸收功Ak表示。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。 二 冲击韧性Ak: ? 1. Ak无明确的物理意义。 Ak除以缺口处的截面积，表示单位面积的平均值，变成了纯粹的数学量 。 2.Ak相同的材料，韧性并不相同。 3.Ak作为承受大能量冲击抗力指标或用来评定构件寿命与可靠性的结构性能指标。 三.冲击弯曲试验主要用途 优点：测量迅速简便，所以冲击韧性 AK列为五大指 标之一 。 功用： ??1.通过测量冲击吸收