[理学]工程材料力学基础第三章.ppt

第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 第一节 冲击载荷下金属变形和断裂 第二节 冲击弯曲和冲击韧性 第三节 低温脆性 第四节 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素 第一节 冲击载荷下金属变形和断裂 一、加载速率及变形速率的概念 ??? 加载速率：单位时间内应力增加的数值 形变速率：单位时间内的变形量（包括绝对形变速率和相对形变速率） 绝对形变速率： ?相对形变速率： ??? 相对形变速率即应变速率，单位时间内应变的变化量。 静拉伸 10-4－10-2s-1 冲击试验 10-2－104s-1 一般当 10-2s-1 时，金属力学性能将发生明显变化。 二、冲击载荷下金属变形和断裂的特点 1、冲击载荷下，应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 2、金属材料在冲击载荷下塑性变形难于充分进行，且塑性变形是极不均匀的，故使强度提高，且σs 比σb 提高得多。 3、材料塑性和应变率之间无单值对应关系 一般上升，塑性下降，但在高速变形下，某些金属可能显示较高塑性。 4、塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关 材料正断：上升致塑性下降； 材料剪断：上升导致断裂应力上升，塑性不变或提高。 第二节 冲击弯曲和冲击韧性 一、冲击韧性的意义 冲击韧性－材料在冲击载荷 作用下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。 冲击韧度常用标准试样 的冲击吸收功Ak表示。 二、缺口试样冲击试验原理 冲击吸收功： Ak=GH1－GH2 注意：缺口位于冲击 相背方向。 三、冲击试验试样 冲击试验试样 四、Ak值的意义的讨论 为什么Ak并不能真正反映材料的韧性？ 1、Ak并不能代表试样断裂前吸收的总能量。因为，Ak＝试样变形断裂吸收的能量+试样掷出功+机床振动功＋……。 2、Ak相同的材料，其韧性不一定相同 3、Ak相同的材料，其断裂功并不一定相同。断裂功的大小决定了断裂类型，因而有人建议以断裂功AP来表证韧性。 冲击试验的不足是其冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，但它对材料组织十分敏感，且试验简便易行，故仍被广泛应用。 五、冲击试验的应用 1、评定原材料的冶金质量及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Ak与温度关系曲线，测定材料的韧脆转变温度，据此可以评定材料的低温脆性倾向 第三节 低温脆性 一、低温脆性现象 体心立方金属及合金、某些密排六方金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料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型，断口特征由纤维状变为结晶状，这即低温脆性，转变温度tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。 实际上由于材料化学成分的统计性，韧脆转变温度不是一个温度，而是一个温度区间。 面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象，但在极低温度下，奥氏体钢及铝合金亦有低温脆性现象。 高强度的体心立方合金（如高强钢及超高强钢）在很宽温度范围内，冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。 二、韧脆转变的物理本质 断裂强度σc随温度的变化较小，而屈服强度σs对温度十分敏感，随温度降低，屈服强度升高，两者的交点tk即为韧脆转变温度。 T＞Tk σc＞σs 韧性断裂 T＜Tk σc＜σs 脆性断裂 三、系列温度冲击试验 评定材料低温脆性的最简便的试验方法是系列温度冲击试验。该试验采用标准夏比冲击试样，在从高温（通常为室温）到低温的一系列温度下进行冲击试验，测定材料冲击功随温度的变化规律，揭示材料的低温脆性倾向。 各种韧脆转变温度判据 四、韧脆转变温度的评定 1、能量准则 以低价能开始上升的温度定义为tk－即NDT。又称无塑性或零塑性转变温度。 以高价能对应的温度定义为tk－即FTP。 以低价能和高价能的平均值对应的温度定义为tk－即FTE。 在船体钢脆性断裂的研究中提出了20J(15ft-1b)准则，即在Charpy-V缺口系列冲击试验中，用冲击功20J对应的温度作为韧脆转变温度。在工作温度下，凡冲击功大于20J者均未发生脆性断裂。但必须指出，20J准则只适用于低碳船体钢。随着低合金船体钢的发展，相应的脆性转变温度准则采用27J甚至40J等准则。 韧脆转变温度的评定 2、断口形貌准则 FATT50－冲击试样断口中结晶区面积占整个断口面积50％时所对应的温度作为脆性转变温度tk，亦可记为50％FATT或t50。 评定方法按GB/T12778-91《金属夏比冲击断口测定方法》，测量时剪切唇