材料力学性能第三章-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
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。
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
材料力学性能课后习题答案
材料力学性能课后习题答案1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．xx效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
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材料力学性能课后习题答案第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力.一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后.随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性.也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形.卸载后再同向加载.规定残余伸长应力增加；反向加载.规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时.便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下.当外加正应力达到一定数值后.以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂.因与大理石断裂类似.故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内.可以是韧性断裂.也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展.多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时.冲击吸收功明显下降.断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂.这种现象称为韧脆转变2、说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 P153、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小.但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
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精选课件
§3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
1、冲击载荷下，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。
2、由于冲击过程持续时间短，测量不准确，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。
钢、淬火钢等）
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精选课件
2、冲击试样开缺口的目的
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，Ak值越小，材料表现的 脆性越大。
所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互 换算和直接比较。
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精选课件
三、冲击弯曲试验
1、冲击试验： 国家标准GB/T229－2007《金属材料 冲击试验方法》。
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精选课件
3、冲击吸收能量K（冲击吸收功AK）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
冲击载荷下屈服强度抗拉强度提高
5、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。
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精选课件
6、塑性、韧性随应变率增加而变化的特征与 断裂方式有关。
如果在一定加载条件及温度下：
材料产生正断，则断裂应力变化不大，随应 变率的增加塑性减小；
如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率
提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提
⑴冲击载荷下位错运动速率大，滑移临界切应 力增大，产生附加强化；使许多位错源同时起作用， 抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。
⑵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。
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精选课件
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。
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。
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精选课件
飞机起落架
➢断裂原因：
材料缺陷 疲劳 冲击载荷
精选课件
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ak来表示材料冲击条件下的韧 性，其物理意义不够明确。
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精选课件
2、Ak或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。（图）
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精选课件
3、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。
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精选课件
4、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充 分进行，原因为：
的k值相差10％～30％。
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五、冲击试验的应用
尽管用ak、Ak或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：
高。
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精选课件
§3-2 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。常用标准试样的冲击
吸收功AK来表示。 二、冲击试样 如图所示
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
无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具
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精选课件
1、评定原材料的冶金缺陷和热加工后的质量
（如图所示）
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。
夏比摆锤
K＝mg(H1-H2)
对采用u型缺口和v型缺
口的试样，其冲击吸收功分
别 用 Aku 和 Akv 来 表 示 。 试 验 前需对试验机进行校核。
旧 标 准 使 用 ak （ 冲 击 韧
性）作为性能指标。
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精选课件
四、冲击值的意义和讨论
1、ak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
冲击载荷与静载的主要差异：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。
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精选课件
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
缺口 冲击载荷 降低温度
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。 （ 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）。
第三章 金属在冲击载荷下的 力学性能
江苏科技大学 材料科学与工程学院
精选课件
Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
Titanic ——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。
精选课件
第三章 金属在冲击载荷下的力学性能
工程中，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。