第三章 缺口、冲击、低温下的金属力学性能
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第三章 材料在冲击载荷下的力学性能-2
落锤冲击试验法：用于测定全厚钢板的NDT,即为零塑 性温度，用于材料的脆性转变温度。 试样的典型尺寸：25mm90mm 350mm、 19mm50mm 125mm、16mm50mm 125mm
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。
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。
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
材料性能学
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
§3.1
冲击弯曲试验与冲击韧性 低 温 脆 性
§3.2
材料性能学
§3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性
一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 试验原理： 试验原理： 摆锤式冲击试验机； 摆锤式冲击试验机； 缺口试样[夏比(Charpy)U型和V型]； 缺口试样[夏比(Charpy)U型和V (Charpy)U型和 摆锤(G)举至H 的位置(位能为GH 摆锤(G)举至H1的位置(位能为GH1)； (G)举至 释放摆锤； 释放摆锤； 冲断试样； 冲断试样； 摆锤(G) (G)至 的位置(位能为GH 摆锤(G)至H2的位置(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功 冲击吸收功(A 此即为冲击吸收功(AKU和AKV)。 GB229-84和GB2106-80。 GB229-84和GB2106-80。
材料性能学
§3.2 低
温
脆
性
一、系列冲击实验与低温脆性 1、系列冲击实验 不同温度 温度( 高温)下的冲击试验。 不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。 冲击韧性α 与温度t的关系曲线( 冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 低温脆性： 2、低温脆性： 由韧性状态变为脆性状态， 当t<tk时，由韧性状态变为脆性状态， 冲击吸收功明显下降， 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。 断口特征由纤维状变为结晶状。 称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 3、tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 机理(自学) 4、机理(自学)
材料性能学
§3.1 冲击弯曲试验与冲击韧性
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。
11
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
1
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
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
金属缺口试样的力学性能
第三章 金属缺口试样的力学性能广义地说，机件截面急剧变化，如轴肩、螺纹、油孔、倒角、退刀槽及焊缝等，均可视作缺口，材料内部组织的不均匀，也有类似缺口的作用。
缺口要影响到材料的弹性变形、塑性变形和断裂过程，具体表现是使材料变脆，提高形变速率或降低温度对材料力学性能的影响与缺口相类似。
§3.1 缺口效应一． 弹性状态下的应力分布理论应力集中系数K t ，σσmax =t K 应力集中程度决定于缺口形状、深度、角度及根部曲率半径等几何参数。
(1) 缺口效应一：缺口造成应力应变集中。
(2) 缺口效应二：缺口前方应力状态发生改变，平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸。
（薄板两向，厚板三向）y x νεε-=，σx 的出现是变形连续性要求的结果。
二． 塑性状态下的应力分布Tresca 判据：s x y σσσ=-塑性变形时，σy 引起的横向收缩约比弹性变形时大一倍，需要较高σx 值才能维持连续变形。
可见在缺口条件下，试样屈服应力比单向拉伸时高，产生所谓‘缺口强化’现象。
（3）缺口效应三：缺口使塑性材料得到强化。
§3.2 缺口试样在静载荷下的力学性能缺口是一种脆化因素。
缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。
常用缺口试样静载力学性能试验方法：缺口拉伸，缺口偏斜拉伸，缺口静弯曲。
一．缺口试样静拉伸和偏斜拉伸1．缺口敏感度q e 或NSR(Notch Sensitivity Ratio)：bbN e q σσ= 脆性材料和高强度材料：q e <1塑性材料：q e >1q e 越大，缺口敏感性越小。
2．q e 除同材料本身性能、应力状态（加载方式）有关外，还同缺口形状和尺寸、试验温度有关。
3．缺口试样静拉伸实验广泛用于研究高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆，高温合金的缺口敏感性等。
4．缺口试样偏斜拉伸试验，同时有拉伸和弯曲复合作用，应力状态更硬，缺口截面上应力分布更不均匀，可显示材料的高缺口敏感状态。
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
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。
定材料的韧脆转变温度。
一、系列冲击实验与低温脆性
1. 系列冲击试验: 对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进
行时可以得到一系列冲击值AK（或ak），将这些冲击值与 所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线 将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与 温度的关系曲线，即AK—t0C或ak-t0C。这种不同温度下的 冲击试验称为系列冲击试验。
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
◆上节回顾： ◆冲击弯曲实验，冲击吸收功AK 、冲击韧度aK。 ◆工程意义： 1.反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量； 2.评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性；
3.根据系列冲击试验获得AK与温度的关系曲线，确
Ak T
3.低温脆性产生的原因
宏观原因：
材料低温脆 性的产生与其屈 服强度σS和断 裂强度σ 随温
C
度的变化有关。
微观原因：体心立方金属的低温脆性与位错
在晶体中运动的阻力σI对温度变化非常敏感有 关, 温度下降σI大幅度升高，位错运动难以
进行；体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现
第03章-金属在冲击载荷下的力学性能.复习进程
§3.3 低温脆性及韧脆转变温度
一、低温脆性现象 低温下，材料的脆性急剧增加。
esp.,对压力容器、桥梁、汽车、船舶的 影响较大。
实质为温度下降，屈服强度急剧增加 。
F.C.C金属，位错宽度比较大，一般 不显示低温脆性。
9
二、韧脆转变温度
判断标准 冲击能量 低阶能对应的t1－NDT（无塑性或零塑性转变
图中各条曲线对应不同裂纹尺寸的σc –t曲线。 AC线，小裂纹的的σc –T曲线，位于σs线以上； BC线，长裂纹的σc –T曲线，与σs点相交于B点-对 应的温度即为FTE（弹性断裂转变温度 ）。 C点对应的坐标为σb和FTP（塑性断裂转变温度）。 因为在NDT附近有一不发生脆性破坏的最低应力， 于是得到A’点。 A’BC线-断裂终止线（CAT），表示不同应力水平 下脆性断裂扩展的终止温度。
弹性变形的速度4982m/s（＞声速）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。这样冲击弹性 变形总能紧跟上冲击外力的变化
2
二、影响冲击性能的微观因素
（1）位错的运动速率↑，派纳力增大，滑移临界切应力↑，金属产 生附加强化。参见图1-12.
（2）同时开动的位错源增加，增加位错密度，提高滑移系数目，塑变 极不均匀，限制了塑性变形的发展，导致屈服强度提高（多）、抗 拉强度提高（少）。参见图1-12.
•
材料塑性与 之间无单值依存关系。大多情况下，冲击时的塑性比 静拉伸的要低。高速变形时，某些金属可显示较高塑性（如密排六 方金属爆炸成型）
•
塑性和韧性随 提高而变化的特征与断裂方式有关。 如在一定加载规范和温度下，材料产生正断（因为切变抗力增加很大
）则，则随c断裂应•↗力而↗ c，变但化塑不性大可，能塑不性变随，• 也↗可而能↘。提如高材。料产生切断，
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
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6
2．多次冲击试验 ． 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验 上进行， 机 PC-150上进行 ， 冲击频率为 上进行 冲击频率为450周次 周次 周次／ ／ min和 600周次 ／ min。 冲击能量靠冲 和 周次 。 程调节而变换(0.1～ 1.5J)， 可做多冲弯 程调节而变换 ～ ， 拉伸和压缩试验． 曲 、 拉伸和压缩试验 ． 试验后可绘制出 冲击功A—N曲线，如图 所示。从A— 曲线， 所示。 冲击功 曲线 如图3-4所示 N多冲曲线不难看出，随冲击功 的减少 多冲曲线不难看出， 多冲曲线不难看出 随冲击功A的减少 冲断次数N增加 增加。 ，冲断次数 增加。
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(5)温度下降， (5)温度下降，纤维区面积突然减 温度下降 结晶区面积突然增大， 少，结晶区面积突然增大，材料由 韧变脆． 韧变脆．通常取结晶区面积占整个 断口面积50％时的温度为t 断口面积 ％时的温度为 k，并记为 50％FATT（fracture appearance ％ （ transition temperature)或 FATT50、 或 t50。
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按能量法定义tk的方法 按能量法定义tk的方法 tk (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 本不随温度而变化，形成一平台，该能 本不随温度而变化，形成一平台， 量称为“低阶能”。以低阶能开始上升 量称为“低阶能” 的温度定义tk，并记为NDT(nil 的温度定义tk，并记为NDT(nil tk temperature)， ductility temperature)，称为无塑性 或零塑性转变温度， 或零塑性转变温度，
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2．多次冲击试验 ． 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验 上进行， 机 PC-150上进行 ， 冲击频率为 上进行 冲击频率为450周次 周次 周次／ ／ min和 600周次 ／ min。 冲击能量靠冲 和 周次 。 程调节而变换(0.1～ 1.5J)， 可做多冲弯 程调节而变换 ～ ， 拉伸和压缩试验． 曲 、 拉伸和压缩试验 ． 试验后可绘制出 冲击功A—N曲线，如图 所示。从A— 曲线， 所示。 冲击功 曲线 如图3-4所示 N多冲曲线不难看出，随冲击功 的减少 多冲曲线不难看出， 多冲曲线不难看出 随冲击功A的减少 冲断次数N增加 增加。 ，冲断次数 增加。
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(5)温度下降， (5)温度下降，纤维区面积突然减 温度下降 结晶区面积突然增大， 少，结晶区面积突然增大，材料由 韧变脆． 韧变脆．通常取结晶区面积占整个 断口面积50％时的温度为t 断口面积 ％时的温度为 k，并记为 50％FATT（fracture appearance ％ （ transition temperature)或 FATT50、 或 t50。
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按能量法定义tk的方法 按能量法定义tk的方法 tk (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基 本不随温度而变化，形成一平台，该能 本不随温度而变化，形成一平台， 量称为“低阶能”。以低阶能开始上升 量称为“低阶能” 的温度定义tk，并记为NDT(nil 的温度定义tk，并记为NDT(nil tk temperature)， ductility temperature)，称为无塑性 或零塑性转变温度， 或零塑性转变温度，
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第三章材料的冲击韧性及低温脆性
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
§ 3-2低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密 排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强 度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状 态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微 孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状， 这就是低温脆性。转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转 变温度。面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象， 但在20-42K极低温度下奥氏体钢及铝合金有冷脆性。高 强度钢及超高强度钢在很宽温度范围内冲击吸收功均较 低，故韧脆转变不明显。
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第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
§ 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性
二、冲击韧性及其工程意义 2.多次冲击
目前还没有统一表示多冲抗力的方法，一般用某 种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲力工作寿命N 时的冲断能量A来表示试样的多冲抗力。 材料的多冲抗力是一个取决于强度和塑性的综合
力学性能，它的变化有如下一些规律。
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
§3-1冲击弯曲试验与冲击韧性 §3-2低温脆性
1
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
§ 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性
一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验
缺口试样一次冲击弯曲试验 原理如图3-1所示。试验在摆锤 式冲击试验机上进行，将试样水 平放置于试验机支座上，缺口位 于冲击相背方向。冲击时将具有 一定质量G的摆锤举至具有一定 高度H1的位置，使其获得一定位
缺陷；还可检查过热、过挠、回火脆性等锻造或热处理 缺陷。
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第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
§ 3-1冲击弯曲试验与冲击韧性
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
对于冲击试样，我国过 去和前苏联都采用梅氏 试样，美国和日本等过 则采用夏氏试样。 现在我国国家标准则融 合梅氏和夏氏两种类型 为一体，分别成为夏比 （Charpy）U形缺口试 样和夏比V形缺口试样。 用不同缺口试样测得的 冲击吸收功分别记为 Aku和AKV。
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13
冲击断裂过程
PGY之前，弹性变形 PGY后，塑性变形；载荷 增大到Pmax，塑性变形 区逐渐扩展到整个缺口面 （塑性区为图中红色虚线 和缺口面之间面积）； 在Pmax附近，应力最大 点位于红色虚线上；因此 在此处产生裂纹；随后裂 纹向前和向后同时扩展； 扩展机制是微孔聚集型， 形成图中“脚跟形纤维状 区”；此过程中材料承载 面积减小，载荷逐渐下降 到PF。
25
第三节 低温脆性
2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度 下，纤维区、放射区与剪切 唇三者之间的相对面积（或 线尺寸）是不同的。 温度下降，纤维区面积突然 减少，结晶区面积突然增加， 材料由韧变脆。 通常取结晶区面积占整个断 口面积的50%时的温度为tk， 记为50%FATT或FATT50、 t50。
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第三节 低温脆性
挑战者号失事了！ 爆炸后的碎片在发射东南方 30km处散落了1h之久，价值 12亿美元的航天飞机，顷刻化 为乌有，7名机组人员全部遇难。 全世界为此震惊。 事故原因最终查明：起因是助 推器两个部件之间的接头因为 低温变脆破损（在航天飞机设 计准则明确规定了推进器运作 的温度应为40~90°F，而在实 际运行时，整个航天飞机系统 周围温度却是处于31~99°F的 范围。），喷出的燃气烧穿了 助推器的外壳，继而引燃外挂 燃料箱。燃料箱裂开后，液氢 在空气中剧烈燃烧爆炸造成的。
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4 bn
,
8 bn
测量指标
qe
bN b
举例P47
缺口试样在静载荷下的力学性能
• 缺口试样静弯曲试验：评定弯曲应力下结构钢的缺 口敏感性和裂纹敏感性。
撕裂功 塑性变形功
Pmax/P越大(面积Ⅲ越大)， 缺口敏感性越低；
Pmax/P越小(面积Ⅲ越小)， 缺口敏感性越高；
弹性变形功
Pmax/P=1(面积Ⅲ为0)， 缺口缺口敏感性最大。
第3章 缺口、冲击和低温下金属 的力学性能
➢缺口效应 ➢缺口试样在静载荷下的力学性能 ➢缺口试样在冲击载荷下的力学性能 ➢低温脆性
缺口效应
缺口的几何形状
δ
：缺口深度； ：缺口角； ：缺口曲率半径。
(a)、(b)分别表示圆形截面试样和矩形截面试样。 (c)表示代表缺口形状的3个主要参数。
➢出现韧脆转变温度的 根本原因：体心立方金 属的屈服强度随温度降 低急剧增加的结果！
低温脆性
低温脆性
韧脆转变温度tk的影响因素：
外因
内因
应力状态、性质 晶体结构
缺口尖锐度
化学成分
试样尺寸
晶粒大小
金相组织
凡是能提高韧性的因素，都可以使tk降低，反之， 都可以使tk升高。
低温脆性
• 应力状态、缺口和尺寸对tk的影响：
向应力状态； 2.使材料强度增高，塑性降低，脆性增大。
缺口试样在静载荷下的力学性能
缺口敏感性：因缺口存在造成三向应力状态和应 力应变集中而变脆的倾向。
缺口敏感性试验 轴向拉伸
缺口试样静拉伸
静载荷
偏斜拉伸
缺口试样静弯曲
冲击载荷
缺口试样在静载荷下的力学性能
• 缺口试样（轴向）静拉伸试验
➢ 缺口敏感度NSR (Notch Sensitivity Ratio) ：
• 缺口试样系列冲击试验：在从高温到低温 一系列不同温度下进行缺口试样冲击试验， 其目的是测定金属材料在这种试验条件下 的脆性转变温度。
✓冲击吸收功-温度曲线（能量法） ✓断口各区面积-温度曲线（断口形貌法）
低温脆性
➢按能量法定义tk的方法：
①低阶能对应温度定义为 tk，记为NDT；
②高阶能对应温度定义为 tk，记为FTP；
缺口强化，屈服强度升高，抗拉强度由于塑性 变形的约束也升高，但屈服强度升高幅度更大。
两种状态的比较
• 小结： • 相同：弹性状态下和塑性状态下都会产生应
力应变集中和三向应力状态，从而导致变脆。
• 不同：应力最大位置不同，且弹性状态下， 抗拉强度降低，塑性状态下，抗拉强度增大。
缺口效应
• 缺口效应 1.引起应力集中，并引起三向应力状态或两
缺口试样在静载荷下的力学性能
塑性差
塑性好
缺口试样的初始裂纹在应力集中处形成
缺口试样在静载荷下的力学性能
说明：（a）缺口使塑性材料变脆，缺口越深，脆性越 大；缺口使塑性材料抗拉强度升高。（b）缺口使脆性 材料抗拉强度降低。
缺口试样在静载荷下的力学性能
• 缺口试样偏斜静拉伸试验：揭示了在恶劣应力
状态下的安全性能指标。
Pmax/P≧1，随着Pmax/P的减小，缺口敏感性增大。
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
• 冲击载荷：使应变速率大于10-2S-1的外加载荷。
• 冲击载荷下变形和断裂的特点： ✓位错运动阻力增大，材料的屈服强度提高； ✓抗拉强度也随之增加。（下图）
屈服强度提高的程度较高
结论：冲击致脆！
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
➢应力为冲击载荷，且加载速率越大； ➢有缺口，且缺口越尖锐； ➢试样尺寸越大。
tk越大，冷脆现象越明显。
低温脆性
•化学成分对tk的影响：
图2 合金元素对韧脆转变温度的影响
低温脆性
•晶粒大小对tk的影响：
低温脆性
• 金相组织对tk的影响 ➢按照tk由高到低的顺序为：珠光体、上贝氏
体、铁素体、下贝氏体和回火马氏体。 ➢第二相质点细小、弥散分布于基体中时，
③低阶能和高阶能的平均 值对应温度定义为tk， 记为FTE。
低温脆性
➢按断口形貌定义tk的方法：
①断口结晶区为100%时对 应的温度定义为tk，记为 NDT；
②断口纤维区为100%时对 应FT的P；温度定义为tk，记为
③结晶区面积占整个断口面 积50%时对应的温度定义 为tk，记为50%FATT。
材料韧性提高，tk降低。
低温脆性
• 韧脆转变温度tk的意义：反映了温度对韧脆 性的影响，是金属材料的韧性指标，也是 安全性指标，但是tk对试验条件的依赖性很 大。
➢韧性温度储备⊿：⊿=t0-tk，t0为材料使用温 度。⊿越大越安全。
低温脆性
• 冷脆转化温度的评定
✓系列冲击试验 ✓落锤试验
低温脆性
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
低温脆性
• 低温脆性：当试验温度低 于某一温度tk时，材料由 韧性状态转变为脆性状态， 冲击值明显下降，断口特 征由纤维状变为结晶状， 断裂机理由微孔聚集型变 为穿晶解理的。
冷脆金属
• 韧脆转变温度
低温脆性
缺口效应——两/三向应力状态
对于厚板来说，
➢缺口前方为 σx≠0，σy≠0， σz≠0，为三向应力状态； ➢缺口根部为 σx=0， σy≠0， σz≠0，为两向应力状态。
σy>σz>σx
缺口效应1
• 由以上分析，缺口效应1： ➢应力集中，及应力状态由单向应力变为两
向/三向。
α<0.5，塑性变形困难，且抗拉强度 比光滑试样低，容易脆断。
增加应变速率，抗 拉强度也随之增加。
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
• 冲击弯曲试验：
缺口试样 ➢ 标准试样
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
冲击试样：
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
• 缺口试样冲击弯曲试验是测量冲击韧性来 评定材料在冲击载荷下对缺口的敏感性。
➢冲击韧性Ak：材料在冲击载荷的作用下发生 断裂所需要的能量，即材料在冲击载荷作 用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
• 冲击弯曲试验原理：
➢Ak=mg(H1-H2)
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
• 关于Ak的几点说明： ✓Ak不是被材料各点均匀消耗的； ✓Ak无明确的物理意义，是一个定性的量，Ak
越大，脆化趋势越小； ✓Ak并不能精确反映材料的韧脆程度； ✓Ak也可以用断口形貌推出。
NSR bN b
脆性材料：NSR<1 塑性材料：NSR>1
bN 缺口试样的抗拉强度
b 等截面尺寸光滑试样的抗拉强度
NSR是衡量静拉伸下缺口敏感性的指标， NSR越大，缺口敏感性越小，反之越大。
缺口试样在静载荷下的力学性能
ADF1钢由于具有良好的塑性和韧性，在较宽的回火温度范围 500~630℃可获得1300MPa以上的强度，而其NSR值1.49~1.62 明显高于42CrMo钢，即具有低的缺口敏感性。
板厚（mm） 25 FTE=NDT+℃ 35 FTP=NDT+℃ 70
75 150 300 50 60 70 120 135 140
用落锤试验测出NDT后就可以作出完整的断裂 分析图。
本章总结
• 缺口对材料的影响：产生应力应变集中， 以及三向或两向应力状态。
• 缺口效应：一是引起应力应变集中，并引 起三向应力状态或两向应力状态；二是使 材料强度增高，塑性降低，脆性增大。
• 掌握缺口冲击韧性试验的方法、原理及 应用；
• 掌握材料冷脆转化的机理、冷脆转化温 度及影响因素；
• 了解缺口强化、缺口敏感度的指标、材 料的抗脆断设计及试验。
复习题
✓什么是平面应力状态，什么是平面应变状 态?为什么平面应变情况最容易脆断?
✓说明几何强化现象的成因，其本质与形变 强化有何不同？
✓第55页：1；2；3；7 ✓第65页：1：2；6
缺口试样在冲击载荷下的力学性能
• 缺口冲击试验的应用 • 冲击韧性可以有条件地作为一个零件工作
时的安全性指标； • 可用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、
焊接及热处理等热加工工艺的质量； • 可用来北方冬季气候寒冷的环境下，桥梁和轮船的 断裂；
• 泰坦尼克号的沉没...
缺口效应——应力集中
• 应力集中：应力分布 不均匀并出现最大值 的现象。
力线
σma
x
σm σN
➢应力集中系数 K t： 表示缺口试样的应力
集中程度。
Kt
max m
缺口效应——两/三向应力状态
• 对于薄板来说，
➢缺口前方：σx ≠0，σy ≠0， σz=0，为平面应力状态； ➢缺口根部：σx =0，σy ≠0， σz=0，为单向拉伸应力。
低温脆性
落锤试验
随温度的降低，板材从不裂到产生裂纹，最后发生 断裂，便可以测出试样开裂的最高温度，这个温度
叫做无塑性转变温度，简称NDT。
试样
试验方法
低温脆性
断裂分析图(简称FAD)：根据落锤试验求得的NDT可 以做出各种裂纹尺寸下的试件的断裂应力与试验温 度的关系曲线。
低温脆性
FTE和FTP与NDT之间有着较好的定量经验关系:
本章总结
缺口敏感性：因缺口存在造成三向应力状 态和应力应变集中而变脆的倾向。
缺口敏感性试验
轴向拉伸
缺口试样静拉伸
静载荷
偏斜拉伸
缺口试样静弯曲
冲击弯曲
冲击载荷 缺口试样系列冲击试验
落锤试验
低温脆性
本章总结
三种钢的冲击韧性随温度变化曲线示意图