材料力学性能-6-材料的抗冲击性能

AK = G(H1 − 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 αk ：
冲击吸收功 Ak 除以缺口底部净横截面积 SN：
αK = AK / SN
αk的单位为 J / cm2
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）
缺口试样冲击吸收功Ak和解理断口百分数与温度关系
• Ak −T曲线存在上、下二个平台Akmax和Akmin ，
• Ak值进入上平台的温度T1－100%纤维状断口，此 温 度 称 为 塑 性 断 裂 转 变 温 度 FTP （ Fracture Transition Plastic）。
T> FTP ，则脆性断裂的几率趋于零，材料呈 现为完全韧断状态；
（Fracture Appearance Transition Temperature）
冷脆转变的断口（冲击断口）
• 缺口冲击试样的断口也分为三个区：
纤维区、放射区和剪切唇区。
各区的相对比例及分布 视材料的塑性而定。通 常裂纹源位于缺口根部 （受拉应力）的中段稍 离表面处。在受压应力 区，裂纹扩展速率减小 而出现二次纤维区。
• 塑性较好的材料，裂纹沿二侧向深度方向稳定 扩展，中央部分较深，构成中部突进式的纤维 状区域，然后失稳扩展而形成放射区。由于试 样的无缺口侧受压应力，应力状态变软，因而 可在此侧出现二次纤维区。
• 塑性很好的材料，则放射区可完全消失，整个 断面上只存在纤维区和二侧及底部最后形成的 剪切唇；
• 若材料塑性很差，则受压侧塑性变形区很小， 二次纤维区会消失，直至观察不到剪切唇，这 时断口几乎全部为放射区。
服强度重合，材料呈脆性断裂。
因此，Tk称为冷脆转变温度。
• 实际情况下，冷脆转变是在一个温度范 围内进行的，所以Tk只是这个范围的某 种表征值。
二、冷脆转变温度的评定和影响因素
• 冷脆转变温度是一个温度范围，但在材料 冷脆敏感性评定和工程构件的选材上都希 望用单一的温度值Tk来表征。
• 即使在同一材料的同一试样冲击吸收功— —温度曲线上，由于定义不同，也会得到 不同的Tk值。
• 对于高强度材料，如高强钢、钛合金等，在缺 口存在的所有温度下，通常都是脆性断裂，冲 击值都很低，因此冷脆现象也不明显；
• 对工程上应用很广的低、中强钢材料，则在低 温时可表现为解理断裂，而在高温时呈现韧性 断裂，即在某一温度范围内，冲击值对温度十 分敏感，因此对这类材料制造低温服役的结构 件时，必须考虑冷脆转变温度的影响。
• 当T<Tk时，σc<σs，即在屈服
变形前应力已经达到了σc，
满足了裂纹失稳的必要条件，
从而导致脆性断裂。
屈服应力σs和裂纹失稳扩展 临界应力σc随温度变化
• 实际上，即使在解理断裂中，裂纹形核 也是塑性变形的结果，而当应力达到 σc 时（σc<σs）尚无裂纹成核，不满足裂纹 失稳的充分条件。因此，只有当应力继 续增大到σs时，因塑性变形使裂纹成核 和裂纹扩展同时进行，即断裂强度与屈
• 晶粒尺寸：细化晶粒使Tk下降。
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。
• 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，Ak值的大小并不能直接反映材料的 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。
冷脆现象与材料屈服应力σs和裂纹失稳扩展临界 应力σc（解理断裂强度）随温度的变化有关。
• σs随温度升高而明显下降， 而σc则对温度较不敏感。因 而 ， 在 某 温 度 Tk 时 二 种 应 力 相等。
• 当T>Tk时，σc>σs，材料先发 生屈服和形变硬化，使应力
σc
上升达到σc时呈韧性断裂；
• 放射区表征脆性断裂； • 纤维区及剪切唇区表征韧性断裂； • 在典型的冷脆转变条件下，几乎可以观察
到由100%的纤维+剪切唇区断口向100%的 放射区断口的过渡。
评定脆性转变温度TK时应注意：
• 不同材料对比冷脆性时，应采用相同定义 的TK 值；
• 用缺口弯曲试样测定的TK 值与实际零件的 TK值可能会因尺寸、形状等因素的影响， 有较大差异。
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
的现象。
6.3 低温脆性和冷脆转变温度
一、低温脆性现象（冷脆转变）
材料因温度的降 低导致冲击韧性的急 剧下降并引起脆性破 坏的现象称为低温脆 性（冷脆）。
不同材料在冷脆 温度区间的冲击值与 温度的关系大致有三 种类型：
不同材料的冷脆倾向
• 对中、低强度的面心立方金属材料，其冲击值 在很宽的工程应用温度范围内都很高，可以不 考虑低温脆性和冷脆转变问题；
• Ak值进入下平台的温度T2－100%解理断口，此温 度 称 为 无 塑 性 温 度 NDT （ Nil Ductility Temperature）。
T< NDT ，则材料处于完全脆断状态。
断口形貌转变温度50% FATT：
• 定义对应于50%（断面占比）解 理断口的特征温度，称为断口形 貌转变温度，即50% FATT。
• 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，相应地提高变形抗力，并使 塑性下降而呈现出脆性。
• 重结晶脆性是在A1∼ A3温度区间，钢 中为α+γ二相混合组织，冲击值降低
• 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。
• 因此，由缺口试样测定的TK只能作为工程 应用中的一种定性判断，对于重要构件应 用更接近实际工况的实验评定。
影响Tk的主要因素： • 材料结构的影响
• 合金成分的影响：钢中的 C、P、O、H、N、 Mo、Al、Si都使Tk上升；Ni、Mn、Ti、V都 使 Tk 下降；
• 组织的影响：冷作时效、上贝氏体使Tk上升； 低温马氏体、奥氏体组织、高温回火组织都使 Tk下降；
• 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。