6-1冲击弯曲试验与冲击韧性
材料力学性能-6-材料的抗冲击性能
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。
模具寿命与失效6
系列冲击试验与低温脆性
低温脆性与σs、σc随温度变化关系
从图示看，断裂
强度随温度变化
断裂强度
很小，屈服强度
随温度变化情况
与材料本性有关。
系列冲击试验与低温脆性
低温脆性与σs、σc随温度变化关系
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， 当试验温度低于韧—脆转变温度TC材料由 韧性状态变为脆性状态，
（3）aKU值对冲击疲劳抗力的影响 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；
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，
如图示。
1-σb=1700 MPa 2-σb =1500 MPa 3-σb =1300 MPa 4-σb =1000MPa
材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律
第一个字母表示裂纹面法线方向， 第二个字母表示裂纹深度预期扩展方向。
断裂韧试验试样的制备
例：图4-40（a）（c）中，L-S表示裂纹面的法线方 向为纵向，预期的裂纹扩展方向为板厚方向。
L-长度方向(纵向) T-宽度方向(横向) S-板厚方向 R-圆的直径方向 C-圆周切线方向
图4-40（b）中，C-L 表示裂纹面的法线方 向为圆周切线方向， 预期的裂纹扩展方向 为圆柱体的长度方向。
这是因为中强度钢的冲
击韧度已经比较高，再
增加aKU值对提高冲击 疲劳抗力的影响甚微；
2-σb =1500 MPa
对高强度材料，冲击韧 度比较低，适当提高一 些韧性对提高冲击疲劳 抗力的影响比较突出。
σb =1000MPa
材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律
6-1冲击弯曲试验与冲击韧性 PPT
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
（3）试验原理 摆锤(质量为G)举至H1的位
置(位能为GH1)，释放摆锤冲断 试样；
摆锤摆至H2的位置(位能为 GH2)；摆锤冲断试样失去的 位能为GH1－GH2 。
此即为试样变形和断裂所 吸收的功，称为冲击吸收功，
（2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。
如图，40钢（含碳量 为0.4%的钢）的冲击疲劳 抗力随回火温度的变化 （即钢材塑性的高低）不 是单调的变化，而是在某 一温度下有一个峰值。
且此峰值随冲击能量 增加向高温方向移动。说 明不同冲击能量下，要求 的强度和塑性配合不同。
（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。
如图，经500℃回火钢的特点是塑性高，强度低。 经200℃回火 钢的特点是强度高，塑性低。
在交点以左， 500℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长；
在交点以右， 200℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长。
②测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验 （低温冲击试验）可获得AK与温度的关系曲线，据此确 定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。
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. AK值越大，说明材料对缺口越 不敏感。
2.多次冲击
一般采用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲 击工作寿命N时的冲断能量A表示试样的多冲抗力。冲击 抗力的指标有如下规律：
多次冲击试验采用PC-l50型落锤式多次冲击试验机。
冲击频率(冲击次数)：450周次/min 和600周次/min。
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。
26
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
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。
冲击韧性
冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。
是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）冲击韧性或冲击功试验（简称"冲击试验"），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。
冲击韧性（冲击值）ak工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。
因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
ak值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。
ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。
ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。
因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。
材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（Tk）”。
[1]冲击韧性（ ak ）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/ 厘米 2 （ J/cm2 ） . 代号：аk单位：J/cm2简介：将冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积所得的商。
注：用夏氏U形缺口试样求得的冲击功和冲击值，代号分别为AkU和akU；用夏氏V形缺口试样求得的冲击功和冲击值，代号分别为AKV和аkV。
用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功，称为冲击韧性以αk表示。
冲击韧性
冲击韧性冲击韧性（冲击值）ak工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。
因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
ak值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。
ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。
ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。
因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。
材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（Tk）”。
冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向材料的韧性是断裂时所需能量的度量。
描述材料韧性的指标通常有两种：（1）冲击韧性aK （单位为MJ/m2）冲击韧性是在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。
通常用冲击韧性指标aK来度量。
aK是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（MJ），其单位为MJ/m2。
aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。
标准冲击试样有两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。
同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大于夏氏试样的aK值，所以两种试样的aK值不能互相比较。
夏氏试样必须注明aK（夏）。
实际工作中承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是因小能量多次冲击使损伤积累，导致裂纹产生和扩展的结果。
最新6-1冲击弯曲试验与冲击韧性
建筑系
材料性能学
（3）材料强度等级不同， 塑性和冲击韧度对冲击疲 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。
建筑系
材料性能学
(2)一次冲击试验的工程意义: ①衡量材料韧脆多直接用冲击功AKU（AKV）。它能反
映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测 量AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气 孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷； 还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。
建筑系
材料性能学
此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
建筑系
建筑系
材料性能学
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(1)冲击韧度或冲击值aKU(aKV):
用冲击吸收功AKU(AKV)除以试样缺口处截面积FN(cm2)。
即：
aKV(aKU)
AKV(AKU) FN
冲击韧度表示单位面积的平均冲击功值。但实际当中， 试件承受冲击作用时，缺口界面上的应力分布不均匀，塑性 变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，取平均值的意 义不大。所以这个指标应用不多。
建筑系
材料性能学
（2）标准试样：国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分 别为:夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样， 冲击吸收功分别记为AKU 和AKV。几何尺寸为：
陶瓷、铸铁或 工具钢等脆性材 料的冲击试验常 用无缺口试样
建筑系
材料性能学
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一般采用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲 击工作寿命N时的冲断能量A表示试样的多冲抗力。冲击 抗力的指标有如下规律：
（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。
如图，经500℃回火钢的特点是塑性高，强度低。 经200℃回火 钢的特点是强度高，塑性低。
在交点以左， 500℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长；
在交点以右， 200℃回火钢抗冲击疲劳能力强，寿命长。
建筑系
材料性能学
（2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。
如图，40钢（含碳量 为0.4%的钢）的冲击疲劳 抗力随回火温度的变化 （即钢材塑性的高低）不 是单调的变化，而是在某 一温度下有一个峰值。
冲击功A--冲断次数N曲线。可 以看出，随A的减少，N增加。
建筑系
材料性能学
二、冲击韧性及其工程意义
1.一次冲击
(1)冲击韧度或冲击值aKU(aKV):
用冲击吸收功AKU(AKV)除以试样缺口处截面积FN(cm2)。
即：
aKV (aKU )
AKV ( AKU ) FN
冲击韧度表示单位面积的平均冲击功值。但实际当中， 试件承受冲击作用时，缺口界面上的应力分布不均匀，塑性 变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，取平均值的意 义不大。所以这个指标应用不多。
且此峰值随冲击能量 增加向高温方向移动。说 明不同冲击能量下，要求 的强度和塑性配合不同。
建筑系
材料性能学
（3）材料强度等级不同， 塑性和冲击韧度对冲击疲 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。
建筑系
建筑系
材料性能学
(2)一次冲击试验的工程意义: ①衡量材料韧脆多直接用冲击功AKU（AKV）。它能反
映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测 量AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气 孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷； 还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。
建筑系
材料性能学
（3）试验原理 摆锤(质量为G)举至H1的位
置(位能为GH1)，释放摆锤冲断 试样；
摆锤摆至H2的位置(位能为 GH2)；摆锤冲断试样失去的 位能为GH1－GH2 。
此即为试样变形和断裂所 吸收的功，称为冲击吸收功， 以AK表示，单位为 J 。
AK=GH1－GH2
建筑系
材料性能学
材料性能学
第六章
材料的冲击韧性及低温脆性
建筑系
材料性能学
生产中很多机件和工具、摸具受冲击载荷的作用。Leabharlann 火箭的发射导弹的发射
建筑系
材料性能学
飞机起飞
飞机降落
建筑系
材料性能学
行驶的汽车通 过道路上的凹坑
建筑系
材料性能学
钢材的加工（锻造、冲 裁、模锻）
建筑系
材料性能学
冲击载荷与静载荷区别：加载速率（载荷施加于试样
的速率）不同，即形变（应变）速率不同。 为了评定材料承受冲击载荷的能力，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。本章主 要介绍：
评定材料承受冲击载荷的能力；揭示材料在冲击载荷下 的力学行为。 主要介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能特点以及 金属材料的低温脆性。
建筑系
材料性能学
§6.1 冲击弯曲试验及冲击韧性
一、冲击弯曲试验
1.一次冲击弯曲试验 （1）试验仪器：摆锤式冲击试验机；
建筑系
材料性能学
（2）标准试样：国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分 别为:夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样， 冲击吸收功分别记为AKU 和AKV。几何尺寸为：
陶瓷、铸铁或 工具钢等脆性材 料的冲击试验常 用无缺口试样
建筑系
材料性能学
②测定材料的韧脆性转变温度。根据系列冲击试验 （低温冲击试验）可获得AK与温度的关系曲线，据此确 定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。
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. AK值越大，说明材料对缺口越 不敏感。
建筑系
材料性能学
2.多次冲击试验
大量试验结果表明，很多材料即 使承受剧烈的冲击载荷作用，也 很难一次断裂。因此就出现了多 次冲击试验。
实践表明，试件破坏前承受 的冲击次数少于500-1000次时， 断裂规律与一次冲击相同；破坏 前的冲击次数＞105时，呈现出典 型的疲劳断口特征。
建筑系
材料性能学
多次冲击试验采用PC-l50型落锤式多次冲击试验机。 冲击频率(冲击次数)：450周次/min 和600周次/min。