材料力学性能-6-材料的抗冲击性能.pdf

6、材料的抗冲击性能 许多机器零件在实际工作中要受到冲击 载荷的作用，如冲床、锻锤等，冲击载荷属 于动态载荷，而且，温度降低和加载速度提 高都会增加材料的脆断倾向。 本章主要讨论冲击载荷作用下材料的性 能评定和冷脆倾向及其影响因素。 6.2 冲击试验和冲击韧性 缺口、低温和高应变率是影响材料 脆化的三个因素，可使材料由原来的韧 性断裂状态变为脆性断裂状态。在影响 材料脆化的这三个因素中，缺口所造成 的脆化是最重要的。 对于韧性好的材料，即使温度降至很低，也难 以产生脆性断裂，且冲击造成高应变率产生的脆化 作用也很有限。故冲击试验采用缺口试样。 冲击弯曲试验标准试样是U型或V 型缺口，分别称 为夏比 （Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样。 冲击试验原理 试验在摆锤式冲击试验机上进 行。将试样水平放在试验机支 座上，缺口位于冲击相背方向。 试验时，将具有一定质量的摆 锤抬起至一定高度H1 ，使其 获得一定的势能，然后将摆锤 放下，在摆锤下落至最低位置 处将试样冲断，之后 摆锤升 值高度H2 。摆锤在冲断试样 时所做的功称为冲击吸收功： 缺口试样冲击弯曲试验原理 AK G(H 1 −H 2 ) 同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不可比的。 冲击韧性α ： k 冲击吸收功Ak 除以缺口底部净横截面积SN ： α A / S K K N α 的单位为 J / cm2 k 注：Ak 的单位为N·M(J) 。 冲击吸收功的意义 • 冲击实验中，冲断试样所吸收的冲击吸收 功是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总 功。 （忽略试样掷出、机身振动、空气阻力等） • 由冲断过程中所耗的功由三部分组成： 弹性功、塑性功、撕裂功 （裂纹扩展功） • 对不同材料，其冲击吸收功可以相同，但它们 的弹性功、塑性功和撕裂功却可能差异很大。 显然，冲击吸收功的大小难以真实反映材料的韧 性性质。 • 若弹性功所占比例很大，塑性功比例很小， 撕裂功几乎为零，则表明材料断裂前塑性 变形小，裂纹一旦形成便立即扩展直至断 裂，断口必然呈放射状甚至结晶状的脆性 断口。 • 若塑性功占比例很大，裂纹扩展的撕裂功 也大，则断口则是以呈纤维状为主的韧性 断口。 • 因此，A 值的大小并不能直接反映材料的 k 韧或脆的性质，只有其中的塑性功，特别 是撕裂功的大小才显示材料的韧性本质。 冲击实验的应用 • 冲击试验采用了缺口试样，在缺口根部由于三向应力的 形成，使所处的应力状态变“硬”，加之冲击加载在缺 口根部形成很高的应变速率，这些作用提高了材料的脆 化倾向，而且这种脆化倾向主要是缺口所致（因为冲击 加载使缺口周围区域产生塑性变形，而松弛应力集中的 过程来不及进行）。所以，从这个意义上说，冲击吸收 功主要是反映材料的缺口敏感性。 • 冲击吸收功和冲击韧性值对金属材料的组织结构、冶金 缺陷比较敏感，可检验、控制材料的冶金质量及热加工 质量。 • 冲击实验可评定材料从低温到高温出现的各种脆化现象， 例如冷脆、蓝脆、重结晶脆性等。 脆化现象 蓝脆 • 指钢加热到500℃左右出现冲击值下降的现象。 此时断裂面表面氧化呈蓝色。 • 蓝脆现象是一种在塑性变形过程中发生的应变时 效过程，可以称为动态应变时效。 • 主要机制与位错被钉扎有关。当位错运动与其它 位错交割或因遇到内应力峰而受阻从而暂时停滞 时，在一定温度下溶质原子可借热激活而扩散并 重新在位错周围聚集形成气团，钉扎位错使之运 动受到更大的阻力，相应