第三章金属在冲击载荷下的力学性能
第三章 材料在冲击载荷下的力学性能-2
落锤样坯
落锤试验过程
落锤样坯断裂形貌
3.3.6 影响韧脆转变温度的因素
（1）晶格类型的影响
（2）ky-------位错被第二相等钉扎的常数。对于BCC金属， Fe、Mo的 ky 高；Ni、Ti的 ky 低。在-Fe中，含N低碳 钢ky比C高。 ky随温度增加不明显。
（3）d-----晶粒直径/位错滑移距离。细晶冷脆转变温度。
（4）-----与应力有关的常数。对于扭转， =1；拉伸时 =0.5；缺口拉伸， 1/3。
•氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变 区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用。
•在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等， 是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变 温度的，它和热处理后的组织密切相关。Biblioteka （3）晶粒大小对TK的影响
• 晶界前塞积的位错数目较 少，有利于减少应力集中；
晶界对裂纹扩展有阻碍 作用。晶粒越细，则晶 界越多，阻碍作用越大。
晶界总面积增加，使晶界上杂质浓 度减少，避免产生沿晶脆性断裂又 提高了它的塑性和韧性。
形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在 提高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。
• 面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心立方和密排六 方金属的塑性、韧性较差。
• 面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一般不 出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧-脆转变，其 韧性可以维持到低温。
• 体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，韧 脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和 高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断 裂。
金属在冲击载荷下的力学性能
(3) 在一定条件下，用试样测得的tk，因 和实际结构工况无直接联系，不能说明该材 料构成的机件一定在该温度下脆断。
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§3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素
一、晶体结构的影响 1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。 2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般
另外，对于有缺口试样，由于缺口截面 上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主 要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak 是一个纯数学量。
直接用Ak更有意义。
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(4) Ak 、ak不能真实反映一般零件承受上 千万次冲击载荷的能力
只有承受大能量冲击的零件，如炮弹， 装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才 可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大 部分零件的工作状态还承受小能量多次重复 冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。
缺口。 脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具
钢等。 标准试样尺寸：10mm×10mm×55mm。
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二、冲击吸收功和冲击韧度
1、冲击吸收功 Ak 为冲断试样过程中所消耗的功。
2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)ak
ak
Ak F
F：试样缺口(折断处)的原始截面积。
8/29 3、讨论 (1) 通常将Ak 、ak作为衡量材料抵抗冲击
而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小， 两者相交于tk。
图3-1 屈服强度和解理断裂强度随温度的变化
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当t>tk时，σc>σs，随外力↑，先屈服，后 断裂→韧性断裂。
当t<tk时，σc<σs，外加应力先达到σc，(屈 服的同时发生断裂)为脆性断裂。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
（4）应变速率对材料的塑性变形、断裂及有关力学性能 有很大影响 冲击瞬时作用于位错上的应力很高 应力水平高 塑性变形难于充分进行 内部的塑性变形不均匀。
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性及其作用 1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功 的大小。 用标准试样的冲击吸收功表示，Ak。单位，J 2、作用 （1）揭示冶金缺陷的影响； （2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆性倾向。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性 能
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率 （相对形变速率）应变速率
έ=de/dτ (e为真应变)
单位时间内应变的变化量——应变率 静拉伸试验 冲击试验
έ=10-5～10-2 s-1 έ=102～104 s-1
一般情况下， έ=10-4～10-2 s-1，金属力学性能没有明显变化， 可按静载荷处理；
冲击吸收功－温度关பைடு நூலகம்曲线：
fcc金属（Cu、Al）材料在很低的温度下韧性仍比较高； 材料在很宽的试验温度范围内都是脆性的，如淬火高 碳马氏体钢； 材料在一定温度区间内产生低温脆性转变，如bcc金属 及其合金、某些hcp金属及其合金，许多铁素体－珠光 体钢（工程上使用的低碳钢）； bcc金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力对温度 变化非常敏感及迟屈服现象有关。
3、外部因素
(1)温度 钢的“蓝脆”温度（钢的氧化色为蓝色） 静载荷：230~370℃ 冲击载荷：525～550℃ C．N原子扩散速率增加，易于形成柯氏气团。 (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。
二、 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素
工程材料力学性能第三章资料
1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单 位为J。 冲击韧性：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。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。
三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的 强度关系随温度的增加而增加。
图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响
第二节
冲击弯曲和冲击韧性
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，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。 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示 材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力 学性能。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料 对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： 4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性 一、 低温脆性 低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低 到零而变为脆性状态。 从现象上看，是屈服强 度随温度降低而急剧增加的结果 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Tc以下，σs>σc， 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Tc以上，σs<σc，金属在断裂 前发生塑性变形，故表现为塑性的。 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.
金属在冲击载荷下的力学性能资料
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
材料性能学1一14周第三章金属在冲击载荷下的力学性能许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同加载速率：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表示。
形变速率：单位时间的变形量。
加载速率提高，形变速率也增加。
相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。
冲击载荷2－104s-1 de10d静载荷10-5－10-2s-1一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。
由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。
冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。
金属材料在冲击载荷下难以发生塑性变形。
1.1 应变速率对塑性变形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，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。
纯铁的应力－应变曲线1－冲击载荷1.2 应变速率对强度的影响2－静载荷静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。
这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高。
第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能
冲击韧度只是一种混合的韧性指标， 在设计中不能定量使用。
冲击功＝（冲击弹性功＋塑性功＋撕裂 功）＋空气阻力＋机身振动＋轴承与测量 机构的摩擦＋试样的飞出等。
三、冲击韧度的工程意义
表示材料韧度的性能指标共有三个：冲击 韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力 韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载 荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件 下材料的韧度。
d / dt ,
d dl / l
dl 1 dl 1 d / dt l dt dt l l
静拉伸的应变速率在10 ～10 S ,当应变速率 大于10 S ，材料的力学性能将发生显著的变
-2 -1
-5
-2
-1
化。
冲击载荷下材料变形和断裂的特点
弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性
b)
c)
塑性变形集中在局部区域，较之静载条件 极不均匀。
应变速率提高，材料塑性必定下降？
材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增 加而减小。 材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可 能提高。
应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)断面收缩率
应变速率对淬火回火35CrNiMoV钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)延伸率和断面收缩率
物构件小，由于变形的几何约束小带来的脆化
程度也相应地小一些。
试验之前试样在所选 的低温条件下保温3045分钟，然后迅速将
焊堆长×宽×厚 64×15×4mm
其移至支座上，用落
锤对其冲击 。锤的冲 击能量是根据板材厚 度和材料的屈服强度 这两个参数决定的。 落锤试验示意图
材料力学性能-第三章-冲击载荷
高当于低某于一某温一度温，度材时，
温度
料材吸料收吸能收量的也冲基击本功不基变本，
形不成随一温个度平变台化，，称形为成一 “平 在高台此阶，区能称 间”为 冲，“ 击此吸低区收阶间功能冲很”， 击低吸，收表功现很为高完，全材的料脆表性 现断为裂完，全这韧一性温断度裂称，为此无 低阶能
温塑度性称转为变塑或性零断塑裂性转转变变
温度
0 高阶能
冲击功 结晶区面积(%)
以低阶能和高阶能
平均值对应的温度作
为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
图3-7 系列温度冲击试验曲线
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日 bcc金属具有低温脆性的原因： 1.bcc金属的p-n 比fcc金属高很多，并且在影响屈服强 度的因素中占有较大比例。而p-n 属短程力，对温度 十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。 2.bcc金属具有迟屈服现象，即对材料施加一大于屈 服强度的高速载荷时，材料需要经过一段孕育期（也 称为迟屈服时间）才开始塑性变形，而在孕育期内只 发生弹性变形。由于没有塑性变形消耗能量，有利于 裂纹扩展，易产生脆性破坏。
NDT
冲击功 结晶区面积(%)
0 高阶能
FTP
100
温度FNTDPT(F(Nraicl tDuruectility
图3-7 系列温度冲击试验曲线
TreamnpsietriaotnurPel)astic)。
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
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第三章金属在冲击载荷下的力学性能前面我们讲述的是材料在常温、静载下的力学性能。
工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。
冲击载荷与静载的主要差异：在于加载速率不同，加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。
因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。
因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。
相对变形速率又称应变率。
不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。
静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。
试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。
当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。
缺口冲击载荷使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。
降低温度（脆断趋势）钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。
冷脆的最大特点是断裂功极低，后果是灾难性的。
（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。
第一节冲击载荷下金属变形和断裂的特点1、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
因弹性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982 m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。
2、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。
金属产生附加强化。
冲击载荷下塑性变形比较集中在某些区域（与静载荷下不同），说明塑性变形是极不均匀的。
3、材料塑性和应变率之间无单值依存关系。
第二节冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。
常用标来表示。
准试样的冲击吸收功AK二、冲击试样见图3-3。
①冲击弯曲试验试样的种类：夏比v型缺口冲击试样缺口试样夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）②冲击试样开缺口的目的是：使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。
缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。
缺口越深、越尖锐，A k 值越小，材料表现的脆性越大。
所以，不同类型和尺寸试样的A k 值不能相互换算和直接比较。
三、冲击弯曲试验原理1、冲击试验的分类：冲击弯曲（三点式和悬臂梁式－艾氏冲击试验）、冲击拉伸、冲击扭转等等。
2、冲击弯曲试验：GB/T229-1994《金属夏比（缺口）冲击试验方法》对其作出了详细规定。
冲击吸收功A k ：A k ＝GH 1-GH 2=G(H 1-H 2) mg(H 1-H 2)对采用u 型缺口和v 型缺口的试样，其冲击吸收功分别用A ku 和A kv 来表示。
试验前对试验机进行校核（见教材）。
旧标准使用a k （冲击韧性）作为性能指标。
Nk k F A a (J/cm 2) 四、冲击值的意义和讨论1、a k 值没有明确的物理意义其一：冲断试样时所消耗的能量并非沿试样截面均匀分布，而是主要被缺口附近的体积吸收，缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。
其二：吸收能量是体积的而不是面积，所以用单位面积吸收的能量a k 来表示材料冲击条件下的韧性，其物理意义不够明确。
2、A k 值相同的材料，其韧性不一定相同因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分，即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。
对不同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部分各占的比例确不一定相同。
而真正能显示材料韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大小。
（画图示意）3、冲击吸收功并非完全用于试样变形和破断。
冲击试验时，摆锤所消耗的总功A k 一部分用于试样的变形和破断。
另一部分消耗于试样的掷出、机身振动、克服空气阻力以及轴承和测量机构中的摩擦消耗，在摆锤试验时这部分功是忽略不计的。
当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大，所以不同试验机和不同人员操作的A k 值相差10％～30％。
五、冲击试验的应用尽管用a k 或A k 作为一个力学性能指标来表示冲击韧性存在着各种不足之处，但其值的大小对材料的组织十分敏感，能敏感地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。
同时，在生产上的长期应用，已经积累了大量有价值的资料和数据。
常用来检验冶金、热加工质量。
现在还广泛应用在以下几个方面：1、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量检验冶金缺陷：夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级。
检验锻造和热处理缺陷：过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等。
2、根据系列冲击试验，可测得A k与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度、蓝脆、重结晶脆性。
3、作为材料承受大能量冲击破坏时的抗力指标。
如对装甲板之类的结构件，冲击功就是一个重要抗力指标。
但对承受小能量多次冲击（成千上万次）的结构件，用冲击功作为抗力指标并不合适。
第三节低温脆性一、低温脆性现象1、定义：体心立方金属及合金或某些密排六方金属及其合金，随试验温度的下降而降低，在试验温度低于某一温度时，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断裂变为穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状。
这种现象称为低温脆性，又称为冷脆。
这种转变称为韧脆转变。
转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。
面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。
2、原因①低于某一温度（韧脆转变温度Tk）时，塑性断裂强度高于正断强度（见图3-5）。
塑性断裂强度在塑性变形过程中随形变强化和应力状态的变化而变化。
②体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服有关。
二、韧脆转变温度目前，常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度tk。
1、能量准则法：冲击功随温度的变化而变化，变化趋势见图5-2-7。
能量法定义Tk的方法有以下三种：①以低阶能开始上升的温度定义为Tk，记为NDT（Nil Ductility Temperature）称为无塑性或零塑性转变温度。
②以高阶能对应的温度定义为Tk，记为FTP(Fracture Transition Plastic)，较为保守的方法。
脆断的弹性的③以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为Tk，记为FTE(Fracture Transition Elastic)。
弹性的2、断口形貌法冲击断口形态见图3-7。
分成为纤维区、放射区、剪切唇三个区。
通常取结晶区面积占总面积的50％的温度作为Tk ，并记作FATT50,通用v型试样。
需要说明的是：Tk属于韧性指标，也是安全性指标。
但不能直接用于机件的设计计算；因定义Tk的方法不同，同一种材料的也不同，同一种材料使用同一种方法时，可能因为外界因素（试样尺寸、缺口尖锐程度和加载速率等）的改变也要发生变化。
三、落锤试验和断裂分析图是一种动态试验法，见GB6803-86。
（略）第三节影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、材料方面的因素（内因）1、晶体结构和强度等级体心立方、密排六方金属及其合金脆断倾向明显，密排六方金属不明显（原因在于派纳力的高低）。
中低强度钢一般属于体心立方金属，脆断倾向明显。
高强度钢Tk不明显。
2、化学成分的影响间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。
置换型溶质元素对韧性影响不明显。
杂质元素S、P、As、Sn、Sb等，使钢的韧性下降。
3、晶粒尺寸的影响细化晶粒可提高韧性，降低Tk。
4、金相组织的影响①在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢，以S回最好，B回火组织次之，片状珠光体组织最差。
②较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬火回火组织。
③在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高于B下。
低碳钢低温B上的韧性高于M回。
这是由于低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。
④在低合金钢中，经不完全等温处理获得B和M混合组织，其韧性比单一M或B要好。
这是由于B先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极为细小的混合组织。
裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。
二、外部因素的影响促使材料脆化的因素为温度、形变速度、试样尺寸、应力状态等。
1、形变速度的影响提高变形速度有类似降温的作用。
但是在常用的冲击速度范围内（4～6m/s），改变变形速度对韧脆转变温度影响不大。
2、试样尺寸及取样部位的影响试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比例减少，韧脆转变温度提高。
原因是：尺寸越大，出现缺陷的几率增加、缺口前沿三向拉应力状态加剧、平面应变断口比例增加，使脆断抗力下降。
取样部位不同，其韧性值也不同。
见图5-3-6。
讲解LB>LH的情况。
3、应力状态及缺口形式的影响应力状态越硬，缺口越尖锐，韧性越低，韧脆转变温度越高。