材料的冲击韧性及低温韧性
材料的冲击韧性和低温脆性
材料的冲击韧性和低温脆性冲击韧性是指材料在受到冲击或者动态载荷时，能够吸收能量并延展变形的能力。
冲击韧性的高低取决于材料的组织结构和成分，具体包括塑性变形的能力、断裂韧性和强度等。
一般来说，高韧性的材料能够吸收更多的冲击能量，从而具有较好的抗冲击性能。
低温脆性是指材料在低温环境下失去延展性和韧性而表现出脆性断裂的现象。
低温脆性的主要原因与材料的晶体结构和化学成分有关。
低温下，材料的原子和分子运动减慢，晶格结构受到约束而不能发生足够的塑性变形。
当应力超过了材料的极限时，材料会发生断裂而失去韧性。
冲击韧性和低温脆性在一些情况下有着密切的关系。
一些材料在低温下，由于低温脆性的影响，其冲击韧性会明显降低。
例如，常用的金属材料如碳钢和铸铁，在低温下会变脆，从而导致其冲击韧性下降。
这对一些低温环境下工作的设备和结构会带来安全隐患。
为了提高材料的冲击韧性和抵抗低温脆性的能力，通常采取以下几种方法：1.合金化：通过加入合适的合金元素来调节材料的组织结构和晶体缺陷，从而改善材料的冲击韧性和低温脆性。
例如，在铝合金中添加适量的锂可以提高其低温强度和塑性。
2.热处理：通过热处理过程来改变材料的晶体结构和组织形态，从而提高材料的冲击韧性和低温韧性。
热处理包括淬火、回火等工艺，可以使材料得到均匀细小的晶粒和相关的析出相，从而提高其延展性和韧性。
3.添加增强相：通过向材料中添加纳米颗粒、纤维等增强相，可以改善材料的力学性能，包括冲击韧性和低温脆性。
这些增强相可以阻碍位错移动和晶格滑移，从而增加材料的塑性变形能力。
4.提高材料的变形能力：通过控制材料的加工过程和热处理工艺，使材料得到均匀细小的晶粒和相关的析出相，从而增加其变形能力。
这样，材料在受到冲击时能够承受更大的变形而不发生断裂。
综上所述，冲击韧性和低温脆性是材料力学性能的两个重要指标，对于材料在不同温度和应力条件下的可靠性和安全性具有重要影响。
通过合金化、热处理、添加增强相和提高材料的变形能力等方法，可以提高材料的冲击韧性和低温脆性，从而满足不同工程应用和环境条件下的需求。
低温冲击 钢 标准
低温冲击钢标准低温冲击是指在低温环境下，材料受到外部冲击或载荷作用时的性能表现。
在工程结构中，特别是在制造和使用涉及低温环境的设备和构件时，对材料的低温冲击性能提出了更高的要求。
而钢材作为一种常见的结构材料，在低温环境下的性能表现尤为重要。
因此，制定和遵守低温冲击钢标准，对于确保设备和结构在低温环境下的安全运行至关重要。
低温冲击钢标准主要包括对钢材的低温脆性、韧性、强度和断裂韧性等性能指标的要求。
首先，钢材在低温下容易出现低温脆性，即在低温环境下材料的韧性降低，易发生脆性断裂。
因此，低温冲击钢标准要求钢材在低温下具有良好的韧性，能够抵抗低温环境下的冲击载荷，不发生脆性断裂。
其次，低温冲击钢标准还对钢材的强度和断裂韧性提出了要求，要求钢材在低温环境下保持足够的强度，同时具有良好的断裂韧性，能够在受到冲击载荷时延缓裂纹扩展，提高结构的抗冲击能力。
为了确保钢材在低温环境下的性能符合要求，低温冲击钢标准还规定了钢材的试验方法和评定标准。
通过对钢材进行低温冲击试验，可以评定钢材在低温环境下的性能表现，包括冲击吸收能力、断裂韧性、裂纹扩展速率等指标。
根据试验结果，可以对钢材的低温冲击性能进行评定，确保其符合低温冲击钢标准的要求。
在实际工程中，遵守低温冲击钢标准对于确保设备和结构在低温环境下的安全运行至关重要。
只有选择符合低温冲击钢标准要求的钢材，并严格按照标准进行材料选用、制造和使用，才能确保设备和结构在低温环境下不会出现意外事故。
因此，工程设计和制造中必须严格遵守低温冲击钢标准，确保使用的钢材具有良好的低温冲击性能。
综上所述，低温冲击钢标准对于确保设备和结构在低温环境下的安全运行具有重要意义。
只有严格遵守标准要求，选择符合要求的钢材，并进行必要的试验和评定，才能确保钢材在低温环境下具有良好的性能表现，提高结构的抗冲击能力，确保设备和结构的安全运行。
因此，在工程设计和制造中，必须高度重视低温冲击钢标准的要求，确保所使用的钢材符合标准，以保障设备和结构在低温环境下的安全运行。
材料的冲击韧性及低温韧性课件
材料的内部微孔洞和裂纹等缺陷对低温韧性 也有影响。这些缺陷在低温环境下可能导致
材料的脆性断裂。
材料的热处理与加工工艺
材料的热处理可以改变其内部组织结构，进而影响其 低温韧性。例如，淬火可以提高材料的硬度，但可能 降低其韧性。
ห้องสมุดไป่ตู้
加工工艺对材料的低温韧性也有影响。例如，冷加工 可以增加材料的硬度，但可能导致其韧性降低。而适 当的热处理和回火则可以恢复和提高材料的韧性。
智能化制造
未来将采用更加智能化的 制造工艺和方法，以提高 材料的冲击韧性和低温韧 性，并降低制造成本。
THANKS
材料的冲击韧性及低温韧 性课件
目
录
• 材料冲击韧性与低温韧性的关
• 材料冲击韧性及低温韧性的应
01 材料冲击韧性的概述
冲击韧性的定义
01
冲击韧性是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。
02
冲击韧性表征了材料在冲击载荷 下的抗脆断性能。
冲击韧性的重要性
冲击韧性是材料的重要力学性能指标 之一，对于承受冲击载荷的构件和零 件非常重要。
02 材料低温韧性的概述
低温韧性的定义
低温韧性是指材料在低温环境下抵抗冲击断裂的能力。
材料的低温韧性对于其在低温环境下的使用性能至关重要。
低温韧性的重要性
材料在低温环境下使用时，由于温度降低，材料的力学性能 会发生变化，脆性增加，韧性降低。
如果材料不具备足够的低温韧性，就可能在低温环境下发生 脆性断裂，导致设备或结构失效。
深空探测
高低温韧性材料被用于制造深空探 测设备的结构和部件，以承受极端 温度和环境条件的影响。
材料冲击韧性及低温韧性的未来发展趋势
塑料的抗冲击性与韧性比较
塑料的抗冲击性与韧性比较塑料是一种广泛应用于日常生活和工业领域的材料。
它们具有良好的机械性能和可塑性，被用于制造各种产品。
在塑料的选择过程中，人们常常需要考虑其抗冲击性和韧性。
本文将对塑料的抗冲击性和韧性进行比较，并对不同塑料材料的特点和应用进行探讨。
1. 抗冲击性塑料的抗冲击性是指其在承受外力冲击时的抵抗能力。
在工业应用中，许多产品需要具有良好的抗冲击性，以保证在使用中不易破碎或损坏。
不同的塑料材料具有不同的抗冲击性能。
一种常见的塑料材料是聚丙烯（Polypropylene，PP）。
聚丙烯是一种硬塑料，具有较高的抗冲击性。
它可以在低温下保持材料的强度和韧性，因此广泛应用于汽车零部件、电器外壳等需要承受冲击的领域。
另一种常见的塑料材料是聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）。
聚碳酸酯是一种透明的塑料，具有优异的抗冲击性能。
它不易破裂和变形，因此被广泛应用于手机屏幕、眼镜、安全面罩等领域。
2. 韧性塑料的韧性是指其在拉伸或弯曲等情况下能够抵抗破断的能力。
韧性是塑料材料的重要机械性能之一，影响着产品的可靠性和使用寿命。
聚乙烯（Polyethylene，PE）是一种常见的塑料材料，具有良好的韧性。
聚乙烯可以在低温下仍然保持一定的韧性，因此广泛应用于制造储运容器、水管等需要耐低温抗冲击的产品。
另一种具有较高韧性的塑料是尼龙（Nylon）。
尼龙是一种强度高、韧性好的塑料材料。
它在不同温度下都能够保持较好的机械性能，广泛应用于制造运动器材、纺织品、工程零件等领域。
3. 不同塑料材料及其应用除了上述提到的聚丙烯、聚碳酸酯、聚乙烯和尼龙，还有许多塑料材料具有不同的抗冲击性和韧性。
聚苯乙烯（Polystyrene，PS）是一种常见的塑料材料，具有较高的抗冲击性，因此广泛应用于电器外壳、食品包装等领域。
聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）是一种硬质塑料，具有较好的抗冲击性和耐候性，被广泛应用于制造窗框、水管等产品。
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
三、冲击脆化效应 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位 错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段 的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和 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。上述诸点均使金属材 料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,导致 屈服强度和抗拉强度提高。
(2)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ②测定材料的韧脆性转变温度； ③对σs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。
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Introductions of Material Properties
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 多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，取决于塑性； A低时，取决于强度。
溶质原子占据溶剂晶格中的结点位臵而形成的固溶体 称臵换固溶体
杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。
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Introductions of Material Properties
3.显微组织的影响 （1）晶粒大小 细化晶粒能使材料韧性增强 韧脆转变温度降低 细化晶粒尺寸是降低 冷脆转变温度的有效措施
Introductions of Material Properties
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
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Introductions of Material Properties
3.1
冲击弯曲试验与冲击韧性
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷 冲击载荷与静载荷主要区别在于加载速率不同
加载速率即载荷施加于试样的速率，用单位时间内应力 增加的数值表示
（4） T工作≥NDT+67℃（FTP）， σ工作达到σb 发生韧性断裂
冲击韧性实验
3.金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。 在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域， 这种不均匀情况限制了塑性变形的发展，导致屈服强 度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强 度提高得较少。 4.塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式 有关。
§3.2 金属材料的低温脆性
3.工程意义
（1）考核材料的多次冲击抗力； （2）作为受多次冲击零件的设计依据。
三．冲击脆化效应
1.冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变率 对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。而应变 速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影 响。 2.在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当 高，结果造成位错运动速率增加，使派纳力 τp-n 增大。 运动速率愈大,则能量愈大、宽度愈小，故派纳力愈大。 结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。
2.试验结果
样品破坏前 N ﹤1000～500次者，破坏规律及形态与一 次冲击相同； 样品破坏前 N﹥100000次者，破坏规律及形态与疲劳相 似。可概括为如下一些规律： （1）冲击能量高时，材料的多次冲击抗 力主要取决于塑 性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 （2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 （3）材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。高强度钢 和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较 大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏 体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要 好。 在马氏体钢中存在稳定残余奥氏体，可以抑制解理断 裂，从而显著改善钢的韧性。马氏体钢中的残余奥氏体膜 也有类似作用。 钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取 决于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与 基体的结合力等性质有关。
高强度螺栓低温脆性断裂及冲击韧性分析
高强度螺栓低温脆性断裂及冲击韧性分析随着科学技术的进步，对钢材脆性研究逐渐增多，并取得一定成就，在民用、工业施工中得到广泛应用。
然而，低温、高压等环境是影响高强度螺栓的重要因素，易导致高强度螺栓发生脆性断裂，造成巨大损失。
一、高强度螺栓脆性断裂的分类高强度螺栓脆性断裂主要分为以下几种类型：第一，过载断裂：导致过载断裂的原因主要在于过载，致使螺栓强度不够。
2100m/s是其断裂发生时的基本速率，易造成严重影响，该种断裂形式主要出现于10.9级和12.9级钢结构高强度螺栓产品中。
第二，非过载断裂：受到材料以及低温的影响，引起的断裂现象，主要出现于屈强性高、塑性好的高强度螺栓。
第三，应力腐蚀断裂：受到腐蚀性环境的影响，致使其所承受的静力或准静力荷载低于屈服极限应力，导致其发生断裂。
二、高强度螺栓脆性断裂的技术要素高强度螺栓脆性断裂的技术要素主要分为当前质量、潜在质量以及最终质量。
首先，当前质量：当前质量主要涉及的内容包括变形抗力、开裂程度以及钢材质量等。
其次，潜在质量：潜在质量必须以当前质量为依据，科学、合理配置合金元素，有效开发镦锻前后热处理工序的相关工作，达到提升钢材性能的目的。
最后，最终质量：指高强度螺栓以及螺栓制品最终需达到的质量标准，提高抗拉强度，避免出现拉长、拉断以及滑扣等问题的发生。
三、材料与韧性的关系镦锻成型是螺栓较常应用的工艺，包括温锻、冷镦以及车削加工等环节，具有涉及面广、批量大等特点。
冲击韧度主要用于表示材料韧性大小，化学成分和纤维组织以及材料冶金质量其决定因素，易受环境温度和缺口状况影响。
（一）材料与冲击韧度碳元素是影响冲击韧度的关键因素，如果强度水平一致，低碳合金钢的断裂韧性明显高于中碳合金钢。
例如，20MnTiB与40CrNiMo，将两者均处理成10.9级螺栓，其在强度相近的情况下，20MnTiB的断裂韧性为113MN/m2/3，40CrNiMo的断裂韧性为78MN/m2/3，而对于冲击功而言，40CrNiMo比20MnTiB高20至45J左右。
材料的冲击韧性和低温脆性
（4） 50％FATT（fracture appearance
transition temperature）结晶区面积百分比 的增大,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占 50％时的温度为韧脆转化温度，记为50％FATT
● （5） V15TT――以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N m)对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。 实践经验总结而提出 的方法.
冲 击 试 验 机
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●
● 二、 冲击韧性及其工程意义 ● ● 冲击韧性：材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功
的能力。 ● ● 冲击韧性是数学平均值，实际上缺口截面上的应力应变分布是
极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近， 取平均值无物理意义。
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●用途： ●1.反映原材料的冶金质量和热加工后产品
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如何确定Tk？ NDT？ 太可怕！ FTP？ 太保守！
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。
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冲击功 结晶区面积(%)
温度
0 高阶能
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
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● 第四节 影响材料低温脆性的因素
●
内部因素
化学成分 晶体结构 宏观组织 金相组织
温度
外部因素
加载速率
试样尺寸和形状
•1． 晶体结构的影响： 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。
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Introductions of Material Properties
①强度高，塑性低，无裂纹扩展部分，裂纹难形成， 裂纹极易失稳扩展 ②强度较高，裂纹较难形成，具有一定的抵抗裂纹 扩展的能力 ③强度低，具有较好的抵御裂纹扩展的能力
σc随温度变化很小
体心立方或密排六方
σs随温度升高急剧降低 ➢T>tk，σc>σs,韧性断裂 ➢T<tk，脆性断裂
面心立方 σs’随温度变化不大 脆性断裂现象不明显
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Introductions of Material Properties
二、韧脆转化温度及其评价方法
韧性是材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力
1、能量法： (1) 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为 无塑性或零塑性转变温度(即 NDT) NDT以下，断口由100％结晶 区(解理区)组成。
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Introductions of Material Properties
(2)高于某一温度材料吸收的能量也பைடு நூலகம்本不变， 形成一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对 应的温度为tk称为塑性断裂转变温度,记为FTP。
③对σs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。
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Introductions of Material Properties
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 多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，取决于塑性； A低时，取决于强度。
(1)冲击韧度或冲击值αKU(αKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)
KV
( KU )
AKV ( AKU FN
)
KV(KU)是一个综合性的力学性能指标，与材料
的强度和塑性有关，单位为J／cm2
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Introductions of Material Properties
(2)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量； ②测定材料的韧脆性转变温度；
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②不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ③高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提 高冲击疲劳抗力有较大作用；
而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
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三、冲击脆化效应 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错
源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的 产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和滑 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。上述诸点均使金属材料 在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行,导致屈服 强度和抗拉强度提高。
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2.多次冲击试验
Introductions of Material Properties
(1)冲击次数少于500-1000次， 与一次冲击相同； 冲击次数＞105时，典型 的疲劳断口特征。
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Introductions of Material Properties
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
冲击强度是度量材料在高速冲击下的韧性大小 和抗断裂能力的参数，是标准试样在冲击断裂 时单位面积上所消耗的能量
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一、冲击弯曲试验
1.一次冲击弯曲试验 冲击功 Ak=G(H1-H2)
衡量材料抵抗冲击 能力的指标
Introductions of Material Properties
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Introductions of Material Properties
低温脆性（T<tk）
➢ 韧性状态转变成脆性状态 ➢ 冲击吸收功明显下降 ➢ 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理 ➢ 断口特征由纤维状变为结晶状 tk为韧脆转变温度或冷脆转变温度
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Introductions of Material Properties
➢面心立方材料，冲击 韧性很高无低温脆性现象 ➢高强度体心立方合金， 室温下冲击韧性很低， 韧脆转变现象不明显
冲击弯曲试验标准试样
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Introductions of Material Properties
试样的安放
断口形貌
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Introductions of Material Properties
冲击试验机种类
悬臂梁
简支梁
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Introductions of Material Properties
2.冲击试样断裂过程分析
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§3.2 低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。 冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。
评定材料： ➢低温脆性 ➢蓝脆 ➢重结晶脆性
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Introductions of Material Properties
➢中、低强度体心立方金属及合金或某些密排六方 晶体金属及合金，冲击韧性对温度敏感，冷脆材料
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Introductions of Material Properties
高分子材料的低温脆性 PVC、PMMA、PS、PC、 PA-6、ABS、LDPE、HIPS
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三、冲击脆化效应 在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相
当高，结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度 及其能量与位错运动速率有关，位错运动速率的增 加将使派纳力增大。运动速率愈大，则能量愈大， 宽度愈小，故派纳力愈大。结果滑移临界切应力增 大，金属产生附加强化。
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Introductions of Material Properties
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
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Introductions of Material Properties
3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷 冲击载荷与静载荷主要区别在于加载速率不同
加载速率即载荷施加于试样的速率，用单位时间内应力 增加的数值表示