第03章金属在冲击载荷下的力学性能课件.ppt
1,第3章 金属在冲击载荷下的力学性能,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 低温脆性及韧脆转变温度3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,2,冲击载荷与静载荷的主要区别：加载速度（幅度和频率）不同 应变速率=de/d e为真应变 静拉伸试验=10-510-2 s-1 冲击试验=102104 s-1 一般，=10-410-2 s-1，金属材料的力学性能无显著变化，10-2 s-1 时，力学性能将显著变化。提高 将使金属材料的变脆倾向增大。,3,3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,一、冲击失效的特点（1）与静载时相同，弹性变形塑性变形断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。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）应变速率对材料的弹性行为及弹性模量无影响。弹性变形的速度4982m/s（声速）,普通摆锤冲击试验的绝对变形速度55.5m/s。这样冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化,4,二、影响冲击性能的微观因素,（1）位错的运动速率，派纳力增大，滑移临界切应力，金属产生附加强化。参见图1-12.（2）同时开动的位错源增加，增加位错密度，提高滑移系数目，塑变极不均匀，限制了塑性变形的发展，导致屈服强度提高（多）、抗拉强度提高（少）。参见图1-12.材料塑性与 之间无单值依存关系。大多情况下，冲击时的塑性比静拉伸的要低。高速变形时，某些金属可显示较高塑性（如密排六方金属爆炸成型）塑性和韧性随 提高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（因为切变抗力增加很大），则断裂应力 变化不大，塑性随 而。如材料产生切断，则 随 而，但塑性可能不变，也可能提高。,5,三、冲击断口形貌,三个区：纤维区、放射区、剪切唇。若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。i.e.:纤维区放射区纤维区剪切唇。（如下图）,由于缺口处是平面应力状态，若试验材料具有一定塑性，则裂纹在快速扩展中就形成纤维区。当裂纹扩展到一定深度，出现平面应变状态，且裂纹达到格里菲斯裂纹尺寸时，裂纹快速扩展形成结晶区。到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。于是就形成（二次）纤维区。,6,3.2 冲击弯曲和冲击韧性,一、冲击韧性及其作用1、冲击韧性是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用冲击吸收功A k（J）表示；或表为 ak，J/cm2（冲击功除以试样缺口底部面积之商冲击韧度）2、作用（1）揭示冶金缺陷的影响（冶金缺陷如如夹渣、气泡、严重分层、偏析、及夹杂物超级等，锻造或热处理缺陷如过热、过烧，回火脆性等）；（2）对s大致相同的材料，评定缺口敏感性。（3）评定材料的低温脆性倾向（By 韧脆转变温度tk）。,7,二、冲击试验,（1）摆锤冲击 摆锤，101055试样，跨距40mm；无缺口，有缺口（U；V）分别记为AK,AKU,AKV。铸铁（QT、白口铁），工具钢等脆性材料，101055，无缺口样品。（2）小能量多冲击 磨球的冲击等 单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂（3）落锤试验 普通冲击弯曲试样尺寸较小，不能反映实际构件中的应力状态，且测试结果分散性大，不能满足一些特殊要求。故美国海军研究所W.S.Pellini（20世纪60年代）提出落锤试验方法。因试样较大，试验时需较大冲击能量，不能用一般摆锤冲击，必须用落锤击断。这是一个半定量的模拟试验方法，用以测定实际使用（厚板）材料的性能。揭示存在一定尺寸裂纹的材料的断裂应力c无塑性转变温度NDT 之间的关系。参见图3-9 断裂分析图（FAD）,P62.,8,落锤试验以及动态撕裂试验等方法,实际上都是使用大型夏比试样的弯曲冲击试验。落锤试验(DWT-Drop hammer test)主要用于测定金属钢板的无塑性转变温度NDT（Non-plastic transition temperature）,试样的厚度与实际使用的板厚相同，并且宽度加大。动态撕裂试验DTT(Dynamic Tear Test)用来测定动态撕裂功和NDT。落锤具有的能量，支撑块的,根据落锤试验和动态撕裂试验求得的NDT,可以建立表征应力、缺陷和工作温度关系的断裂分析图(FAD)-图3-9,P62。,9,断裂分析图（FAD）,分析：纵坐标-应力，横坐标-温度。图中左侧在NDT附近。为对低强度钢压力容器断裂事故分析和有关实验得出的结果。不同尺寸的裂纹对应的断裂应力（c）。裂纹长度增加，c下降；裂纹很长时，c仅为3556MPa，如外加应力该值，则不发生脆性破坏。此即脆性破坏的应力。图中各条曲线对应不同裂纹尺寸的c t曲线。AC线，小裂纹的的c T曲线，位于s线以上；BC线，长裂纹的c T曲线，与s点相交于B点-对应的温度即为FTE（弹性断裂转变温度）。C点对应的坐标为b和FTP（塑性断裂转变温度）。因为在NDT附近有一不发生脆性破坏的最低应力，于是得到A点。ABC线-断裂终止线（CAT），表示不同应力水平下脆性断裂扩展的终止温度。区域：NDT以上，ABC以左，s以下，根据不同裂纹尺寸和应力水平组合，裂纹可能快速扩展而脆断，也可能不脆断扩展。在该区域，温度一定，裂纹长度增加，c下降；而在相同应力水平下，小尺寸裂纹不发生脆性扩展，大裂纹扩展。在CAT以右，脆性裂纹不产生扩展，在s以上，AC线与BC线之间区域内，解理断裂之前先塑变。当温度高于FTP时，不论裂纹尺寸如何，断裂均为剪切型，且c=b.由NDTFTEFTP，测出NDT后，估算FTE、FTP。,10,3.3 低温脆性及韧脆转变温度,一、低温脆性现象 低温下，材料的脆性急剧增加。esp.,对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。F.C.C金属，位错宽度比较大，一般不显示低温脆性。,11,二、韧脆转变温度,判断标准 冲击能量 低阶能对应的t1NDT（无塑性或零塑性转变温度）高阶能对应的t2FTP(Fracture Tranistion Plastic 塑性断裂转变温度)弹性断裂转变温度 FTE 0.5(t1+tk)断口形貌无塑性转变温度 NDT（Nil Ductility Temperature）：断口由100结晶区（解理区）组成时对应的温度。50FATT（Fracture Appearance Temperature）：断口结晶区占整个断口面积50时的温度。V15TT：采用夏比V形缺口试样，指对应于冲击功15英尺磅（20.34J）韧脆转变温度。韧脆转变温度值：NDT V15TT FTE 50%FATT,实质：温度或开缺口，变形约束，材料脆化,12,3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,一、晶体学特性晶体结构：f.c.c不存在低温脆性（如Cu、Al、奥氏体不锈钢）。b.c.c金属及其合金存在低温脆性（如Fe、Mo、W等）。位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能，韧性。形成柯氏气团，韧性。,13,二、冶金因素,（1）溶质元素 间隙原子，使韧性。置换式溶质，对韧性影响不明显 杂质元素O、N、S.P.As.Sn.Sb 使韧性Si可限制交滑移，促进孪生，提高韧脆转变温度，使韧性（2）显微组织 a）晶粒大小 b）金相组织 回火索氏体贝氏体珠光体，韧性。第二相（大小、形状、数量、分布）,14,三、外部因素,1、温度 钢的“蓝脆”：在250-450内钢的强度升高，冲击韧性降低现象。某些钢材在200300时颜色发蓝而脆性增加。在此温度区间强度达最大值而塑性较低脆性增大。蓝脆倾向较大的钢材应变时效倾向也较明显。钢中含氮量多使其蓝脆倾向增大。但在冲击载荷下钢的蓝脆温度区间上升到250450。常温下，刃位错由于被C、N（或第二相质点）钉扎，形成Cottrell气团，表现出较低的塑性及韧性。本来，在温度升高的过程中，由于变形作用和温度升高提供的驱动能，使位错可以挣脱间隙溶质原子的钉扎而滑移，钢材表现出塑性和韧性升高，但当升高到一定的温度范围（蓝脆温度）时，C、N原子的扩散速度增加较快，赶上了位错的滑移速度，在该温度做拉伸试验，发生了C、N原子对位错的反复钉扎脱钉钉扎，因而位错始终难以滑移，形成了所谓的蓝脆现象。原因：“蓝脆”温区，C、N原子扩散速率增加，(进一步)形成柯氏气团。2、加载速率加载速率，脆性，韧脆转变温度tk;3、试样尺寸和形状试样增厚，tk（表面上的拉压应力最大）;带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。,
