材料性能与分析测试技术4课件.ppt

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1、2022/11/12,1,2,冲击弯曲实验与冲击韧性？,3,低温脆性？,落锤实验？,Chapter 4 冲击韧性及低温脆性,2022/9/2412冲击弯曲实验与冲击韧性？3低温脆性？落,冲击弯曲实验与冲击韧性？,一、冲击载荷的特点,冲击载荷与静载荷的主要在于加载速率不同：加载速率佷高，而后者加载速率低。加载速率用应力增长率=d/dt表示，单位为MPas。变形速率有两种表示方法：即绝对变形速率和相对变形速率。绝对变形速率为单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt，单位为ms。相对变形速率即应变速率，=d/dt，单位为s-1。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 一、冲击载荷的特点冲击载荷与静载荷,冲击弯曲

2、实验与冲击韧性？,一、冲击载荷的特点,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103ms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。 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。 实践表明：应变率在10-4 10-2S-1内，金属力学性能没有明显的变化，可按静载荷处理。当应变力大于10-2S-1时，金属力学性能将发生显著变化。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 一、冲击载荷的特点弹性变形以介质,冲击弯曲实验与冲击韧性？,一、冲击载荷的特点,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

3、，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。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 一、冲击载荷的特点 不含切口,冲击弯曲实验与冲击韧性？,二、冲击弯曲实验,冲击试验机、试样和原理图,1.一次冲击弯曲试验 试验原理：摆锤式冲击试验机；缺口试样U型和V型；举至H1的位置(位能为GH1)释放摆锤冲断试样摆锤至H2的位置(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功(A

4、KU和AKV)。 测试标准：GB229-84和GB2106-80。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 二、冲击弯曲实验冲击试验机、试样和,冲击弯曲实验与冲击韧性？,二、冲击弯曲实验,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 二、冲击弯曲实验final hei,冲击弯曲实验与冲击韧性？,二、冲击弯曲实验,多次冲击曲线,2. 多次冲击试验 冲击次数小于5001000次，试样断裂规律和一次冲击相同； 冲击次数大于105次时，试样破坏具有典型的疲劳断口特征，冲击损伤积累结果。 AK曲线：冲击功和冲断次数曲线，反比关系,冲击功,冲断周数,A,K,冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。冲击载荷下：应力水平较高，许多位

5、错源同时启动，抑制易滑移阶段的产生和发展；增加位错密度，减少位错运动自由行程增加点缺陷浓度等。导致强度提高。,3、变形断裂特点,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 二、冲击弯曲实验多次冲击曲线2.,冲击弯曲实验与冲击韧性？,二、冲击韧性,1.一次冲击 (1)冲击韧度或冲击值a KU(aKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 aKU(aKV)AKU(AKV)/FN (2)工程意义: 反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量；分析断口判断缺陷； 测定材料的韧脆性转变温度； 对s大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 二、冲击韧

6、性1.一次冲击,冲击弯曲实验与冲击韧性？,二、冲击韧性,2.多次冲击 (1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A。 (3)多冲抗力取决于塑性和强度： A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； A低时，多冲抗力主要取决于强度。 不同的A要求不同的强度与塑性配合。 材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 二、冲击韧性2.多次冲击,冲击弯曲实验与冲击韧性？,二、冲击脆化效应,冲击载荷和静载荷失效相同点： 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂冲击载荷和静载荷失效不同点： 变形速率不同； 冲击载荷主要表现为脆性（脆化）； 塑性变形主要集中在局部区域。

7、 冲击脆化主要原因-塑性变形难以充分进行，集中在局部区域： (1)应变速率。 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)冲击载荷。 使金属产生附加强化； 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的平均长度，增加点缺陷浓度等。,冲击弯曲实验与冲击韧性？ 二、冲击脆化效应冲击载荷和静载荷失,低温脆性？,定义：材料在某一温度tk下由韧变脆，冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口由纤维状变为结晶状。如体心立方金属，某些密排金属合金。 测量不同温度(低、室、高温)下冲击韧性aK(AK)与温度t的关系曲线(AKt)。tk称为

8、韧脆转变温度或冷脆转变温度。是安全性指标之一，最低使用温度必须高于tk。原因：温度影响位错在晶体中运动的磨擦阻力，降低温度，阻力上升。材料变脆。,钢的脆性转变温度,低温脆性？ 定义：材料在某一温度tk下由韧变脆，冲击功明显下,低温脆性？,低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率问题。 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tk以下，sc，金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现为脆性的； 而在Tk以上，sc，金属在断裂前发生塑性变形，故表现为塑性的。,低温脆性？ 低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度随温度降,低温脆性？,金属的强度和塑性

9、随温度的变化,低温脆性？ 金属的强度和塑性随温度的变化,低温脆性？,研究低温脆性的主要问题是确定韧脆转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击功AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按一定的方法确定韧脆转化温度。,低温脆性？ 研究低温脆性的主要问题是确定韧脆转化温度。,低温脆性？,1、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度NDT(Nilductility temp)： 低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。 低阶能开始上升的温度为tk。 NDT以下，断口由100结晶区(解理区)组成。,(2) FTP(fracure transition plast

10、ic)： 高阶能：高于某温度，吸收的能量基本不变，形成上平台。 以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。高于FTP的断裂，得到100的纤维状断口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应的温度。 (4) V15TT：以AKV=20.3Nm对应的温度。,韧脆转变温度判据,低温脆性？ (2) FTP(fracure transiti,低温脆性？, Increasing temperature. - increases %EL and Kc, Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT).

11、,BCC metals (e.g., iron at T 914C),Impact Energy,Temperature,High strength materials (,s,y, E/150),polymers,More Ductile,Brittle,Ductile-to-brittle,transition temperature,FCC metals (e.g., Cu, Ni),低温脆性？ Increasing temperatur,低温脆性？,2、断口形貌法： (1)断口形貌：,(2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transiti

12、on temp)： 通常取结晶区面积占整个断口面积50时的温度为tk 。,由纤维区F、放射区(结晶区)R、剪切唇S组成。 和常见拉伸断口的区别： t不同，相对面积不同。 (面积t曲线),拉伸断口和冲击断口的形貌示意图,低温脆性？ 2、断口形貌法： (2) 50%FATT(F,低温脆性？,在10时，断口为100纤维区，冲击值很高，韧性状态；温度降到25时，冲击值下降一半，断口也出现将近一半的结晶区，处在韧性向脆性转折的过渡状态；当温度再降低至80时，冲击值非常低，断口为100的结晶区，为完全脆性状态。,含锰1.39%低碳钢板系列冲击试验结果(a) 冲击值-温度曲线；(b) 断口纤维区面积%-温度

13、曲线；(c) 载荷-挠度曲线及断口形貌,低温脆性？ 在10时，断口为100纤维区，冲击值很高，韧,低温脆性？,韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，它是安全性能指标，是从韧性角度选材的依据之一。对于在低温服役的材料，最低使用温度高于tk，二者之差愈大愈安全(差2060)。,铁素体(体心立方)、奥氏体(面心立方)和奥氏体钢,低温脆性？ 韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，它是安,低温脆性？,1)晶体结构的影响：bcc、hcp有，fcc没有原因：加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象 2)化学成分的影响：见下图,影响材料低温脆性的因素,合金元素对钢韧脆转变温度的影响,Ni,C,P,Si,C

14、r,Mn,Cu,低温脆性？ 1)晶体结构的影响：bcc、hcp有，,低温脆性？,影响材料低温脆性的因素,3)显微组织的影响：细化晶粒增加韧性，降低tk；例如：回火索氏体的冲击吸收功和tk最佳，回火贝氏体次之，片状珠光体最差；,低温脆性？ 影响材料低温脆性的因素 3)显微组织的影,低温脆性？,1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。但加拿大著名化学家潘妮拉古德所著拿破仑的纽扣：改变历史的16个化学故事中提到，一个简单的化学反应很有可能对拿破仑的失败起了重要作用。 拿破仑部队军服上，采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然而它有

15、3种同素异形体白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，四方晶系，密度7.31g/cm3而在低温下(-13.2)，白锡发生化学反应而变成粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm3因此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出现一些小孔，最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33 度时，晶体锡会变成粉末锡。,拿破仑的纽扣生活中的低温脆性,低温脆性？ 1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利,低温脆性？,发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达10003000m/s，无法加以阻止，无任何征兆。1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞

16、尔特城和海伦赛贝斯城先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆造成的。 1912年当年最为豪华、号称永不沉没Titanic首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,低温脆性的危害,低温脆性？ 发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达100030,低温脆性？,在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船

17、在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。,低温脆性的危害,低温脆性？ 在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性,低温脆性？,1954 年冬天，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行的英国32000吨的“世界协和号”油船，突然发生船体中部断裂并沉没。原因也是材料的冷脆。,船身一分为二断裂的Schenectady号油轮,低温脆性？ 1954 年冬天，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行的,低温脆性？,利用冷脆现象，人们发明了“低温粉碎技术”。以低温钢铁粉碎技术为例：废钢在投入熔炉前需要进行粉碎，

18、传统的电弧切割法有能耗大，效率低的缺点。而使用低温粉碎时，只需使粉碎温度低于废钢的韧脆转化温度，废钢就变得像玻璃那样易碎了。为了达到此温度，可将废钢浸泡在液氮中，或用低温的氮气冷却。低温粉碎技术还可以用来粉碎其他许多金属如锆合金，只需遵循温度低于该金属的韧脆转化温度的原则即可。 现在具有明显韧脆转化温度的金属往往在低温下才发生这一转变。我们可以制造出在室温附近发生明显韧脆转化的材料，借此我们可以通过简单的温度改变来影响材料的脆性，以制造新型炸弹、逃生门、温度报警控制器等装置。,低温脆性的利用,低温脆性？ 利用冷脆现象，人们发明了“低温粉碎技术”。,低温脆性？,低温脆性的利用,2008 年9 月

19、25 日晚9 时10 分，中国自行研制的第三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航天发射场由“长征二号F”运载火箭发射升空。“长征二号F”第三级火箭采用的是液氢液氧发动机，而在1 个大气压下，液氧的沸点是-183，液氢的沸点是-253。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金的耐低温特性，采用高强度铝合金材料制成。,低温脆性？ 低温脆性的利用 2008 年9 月25 日晚9,落锤实验,落锤试验与断裂分析图 普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状态，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。50年代初，美海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。,试样冷却到一定温度后放在砧座上，使轧制

20、面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随温度下降，力学行为发生如下变化: 1). 不裂；2). 拉伸侧表面部分形成裂纹，但末发展到边缘；3). 拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边；4). 试样断成两部分。 一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边时的最高温度为NDT.,落锤实验示意图,落锤实验 落锤试验与断裂分析图 试样冷却到一定温度后放在砧座,落锤实验,目前，NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分，如：（1）NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于工作温度，此时在高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂；（2） NDT+33设计标准 对结构钢而言NDT+33约为FTE，适用于原子能反应堆压力容器标准。（3） NDT+67适用于全塑性断裂，在塑性超载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力，适用于原子能反应堆压力容器标准。,落锤实验目前，NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的,