第3章 金属在冲击载荷下的力学性能-2008.ppt

第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 3.0 引言 3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 3.2 冲击弯曲和冲击韧性 3.3 低温脆性 3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素 3.0 引言 为了评定金属材料传递冲击载荷的能力，揭示金属材料在冲击载荷作用下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率。 加载速率是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来表示，单位为N/m2s。 由于加载速率提高，形变速率也随之增加，因此可以用形变速率间接地反映加载速率的变化。 形变速率是单位时间内的变形量，通常用相对形变速率(应变率)表示。 不同机件的应变率范围大约为10-6－106 s-1。 静拉伸试验的应变率为10-5－10-2 s-1冲击试验的应变率为102－104 s-1一般情况下应变率在10-4－10-2s-1，金属力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。 当应变率大于10-2s-1，金属力学性能将发生显著变化，必须考虑由于应变率增大而带来的力学性能的变化。 3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 一、冲击失效的特点 1、与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。 2、冲击过程持续时间短而测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 3、应变率对材料的弹性行为及弹性模量无影响。但应变率对塑性变形、断裂及有关的力学性能却有显著的影响。 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因： 1、由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。 2、冲击载荷增加了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。 静载荷作用下：塑性变形比较均匀地分布在各个晶粒中。 冲击载荷作用下：塑性变形则比较集中在某些局部区域，反映了塑性变形是极不均匀。这种不均匀的情况限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度(和流变应力)、抗拉强度的提高，且屈服强度提高得多，抗拉强度提高得较少。 塑性和韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关： 如在一定加载规范和温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小。 如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性可能不变或提高。 3.2 冲击弯曲和冲击韧性 一、冲击韧性的定义 冲击韧性是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。单位为J。 二、冲击试验 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。 冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韧脆程度： 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%。 三、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。 3.3 低温脆性 一、低温脆性现象 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，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度，也称为冷脆转变温度。 由于材料化学成份的统计性，韧脆转变温度实际上不是一个温度而是一个温度区间。 低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件是非常重要的。 低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。 屈服点随着温度的下降而升高，但材料的解理断裂强度随着温度的变化很小，两线交点对应的温度就是tk。 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号(Titanic)首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。 1985年以后，探险家们数次深潜到12612英尺深的海底研究沉船，起