材料性能与测试课件-第三章材料的冲击韧性和低温脆性
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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。
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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
材料的冲击韧性及低温脆性课件
究，以推动材料科学的进一步发展。
06
相关案例分析
案例一：某种材料的冲击韧性研究
总结词
该案例旨在研究某种材料的冲击韧性，通过实验和分析，了解该材料在不同冲 击能量下的断裂行为和材料内部的微观结构变化。
详细描述
该研究采用X射线衍射、扫描电子显微镜和冲击试验机等设备，分析了该材料在 不同冲击能量下的形变、相变和断裂现象。研究发现，随着冲击能量的增加， 材料的断裂强度和韧性逐渐降低。
温度
应变速率
温度是影响低温脆性的关键因素。随着温 度的降低，材料的脆性倾向通常会增加。
应变速率越高，材料的低温脆性越明显。
03
材料冲击韧性与低温脆性的 关系
冲击韧性与低温脆性的联系
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收能量的能力，而低温脆性是指 在低温环境下材料失去塑性的现象。虽然两者的定义不同，但它们之间 存在一定的联系。
案例三
总结词
该案例探讨了某种材料在冲击韧性和低温脆性方面的综合应用，通过实验和理论分析，研究了材料在 不同环境条件下的性能表现和适用范围。
详细描述
该研究结合了实验和模拟手段，综合分析了该材料的冲击韧性和低温脆性等性能。研究发现，材料的 冲击韧性和低温脆性之间存在一定的关联，通过优化材料的成分和结构，可以同时提高材料的冲击韧 性和低温脆性。这一研究成果为相关领域的设计和应用提供了重要的参考依据。
材料冲击韧性及低温脆性的综合应用
在复杂环境下，材料同时面临冲 击和低温的联合作用，因此需要 综合考虑冲击韧性和低温脆性的
影响
在极地考察、深海探测、太空探 索等极端环境下，材料的综合性 能对装备的安全性和可靠性具有
决定性影响
需要结合具体应用场景，对材料 的冲击韧性和低温脆性进行深入 研究，提出相应的优化设计和安
06
相关案例分析
案例一：某种材料的冲击韧性研究
总结词
该案例旨在研究某种材料的冲击韧性，通过实验和分析，了解该材料在不同冲 击能量下的断裂行为和材料内部的微观结构变化。
详细描述
该研究采用X射线衍射、扫描电子显微镜和冲击试验机等设备，分析了该材料在 不同冲击能量下的形变、相变和断裂现象。研究发现，随着冲击能量的增加， 材料的断裂强度和韧性逐渐降低。
温度
应变速率
温度是影响低温脆性的关键因素。随着温 度的降低，材料的脆性倾向通常会增加。
应变速率越高，材料的低温脆性越明显。
03
材料冲击韧性与低温脆性的 关系
冲击韧性与低温脆性的联系
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收能量的能力，而低温脆性是指 在低温环境下材料失去塑性的现象。虽然两者的定义不同，但它们之间 存在一定的联系。
案例三
总结词
该案例探讨了某种材料在冲击韧性和低温脆性方面的综合应用，通过实验和理论分析，研究了材料在 不同环境条件下的性能表现和适用范围。
详细描述
该研究结合了实验和模拟手段，综合分析了该材料的冲击韧性和低温脆性等性能。研究发现，材料的 冲击韧性和低温脆性之间存在一定的关联，通过优化材料的成分和结构，可以同时提高材料的冲击韧 性和低温脆性。这一研究成果为相关领域的设计和应用提供了重要的参考依据。
材料冲击韧性及低温脆性的综合应用
在复杂环境下，材料同时面临冲 击和低温的联合作用，因此需要 综合考虑冲击韧性和低温脆性的
影响
在极地考察、深海探测、太空探 索等极端环境下，材料的综合性 能对装备的安全性和可靠性具有
决定性影响
需要结合具体应用场景，对材料 的冲击韧性和低温脆性进行深入 研究，提出相应的优化设计和安
第三章材料的冲击韧性及低温韧性1.解释下列名词冲击韧度冲击吸收
第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
1.解释下列名词：
冲击韧度冲击吸收功；低温脆性；韧脆转变温度；韧性温度储备 ；
蓝脆；冷脆转变温度
2.试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。
3.冲击试验的应用范围如何？
4.在冲击载荷作用下，材料的行为如何？
5.一次摆锤冲击试验常见的试样有哪几种？
6.冲击值a k和冲击功A k的意义如何？
7.一次冲击试验可以检验出金属材料的哪些性能？
8.对某些经热加工成材的钢种，为什么纵向（平行热加工方向）冲击试样
的韧性高于横向（垂直热加工方向）试样的韧性？
9.冲击试样的缺口形状对所测的冲击值有何影响？现有两种材料，A材料
U型缺口冲击试样，B材料用V型缺口试样，当进行冲击试验时，均测得冲击功为3.0kgf.m，能否定性说明哪种材料的韧性好些？为什么？如果A材料用上述两种缺口试样进行冲击进行冲击试验时，哪种缺口试样的冲击功较高？为什么？
10.试从物理冶金的角度解释钢中S、P杂质对冲击韧性影响的实质？
11.形变速度，温度与缺口尖锐程度对材料韧性有何影响？
12.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。
13.什么叫钢的兰脆？形成原因是什么？
14.为什么体心立方金属有冷脆现象？而碳、氮等元素能促进冷脆现象？
15.从衡量材料的韧性，防止构件脆性破坏的角度出发，冲击韧性和断裂韧
性，哪个指标更有实用意义？它们之间是否有定量的联系？
16.晶粒大小，应力状态及形变速度对冷脆转化温度有何影晌?。
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
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。
材料性能与测试-第3章材料的冲击韧性和低温脆性
低温脆性的危害
❖ 发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法加以 阻止，无任何征兆。
❖ 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城先后 发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆 造成的。
§3.2 低温脆性
❖ 定义：体心立方或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的 中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度tk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变为穿晶解理，断
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性 §3.4 影响韧脆转变温度的因素
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点
冲击载荷和静载荷的区别
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。
形变速率可间接反应加载速率的变化。
口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
屈服强度/MPa
840
700 W
560 Mo
420 Байду номын сангаасe
280
140 Ni
几类不同冷脆倾向的材料
0 200 400 600 800 1000
温度/℃
❖ 测量不同温度下冲击韧性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。tk称为韧脆转
变温度或冷脆转变温度，是安全性指标之一。
(3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应的温度。
➢ 冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线 Ak急剧减小；
(4) 以Akv为 20.3 N·m对应的温度作为韧脆转变温度，记为 V15TT。
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
第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
材料科学与工程学院
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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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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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图3-8 落锤实验设备
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落锤试验法的缺点：对脆性断裂不能定量 评定。没有考虑板厚的影响。 通过落锤式试验求得的NDT可以建立断裂 分析图FAD. 分析图FAD是应力、缺陷和温度之间关系 的综合图。它可以明确提供低强度钢构 件在温度、缺陷和应力作用下脆性断裂 开始和终止条件。
Ni
wt%
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2
图3-8 合金元素对钢韧脆转变温度的影响
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3)．显微组织的影响：细化晶粒增加韧性，降低tk； 例如：回火索氏体的冲击吸收功和tk最佳，回火贝氏 体次之，片状珠光体最差；
淬火马氏体
低温回火马氏体
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中温回火屈氏体
高温回火索氏体
图3-6 含锰1.39%低碳钢板系列冲击试验结果 (a) 冲击值-温度曲线；(b) 断口纤维区面积%-温度曲线； (c) 载荷-挠度曲线及断口形貌
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韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，它是 安全性能指标，是从韧性角度选材的依据之一。 对于在低温服役的材料，最低使用温度高于tk，二 者之差愈大愈安全(差20－60℃)。
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冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。 冲击载荷下：应力水平较高，许多位错源同时启动，抑制易滑移阶段 的产生和发展；增加位错密度，减少位错运动自由行程增加点缺陷浓 度等。导致强度提高。 塑性与韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。正断：减少； 剪断：不变或提高。
二、冲击韧性
1.一次冲击 (1)冲击韧度或冲击值a KU(aKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 aKU(aKV)＝AKU(AKV)/FN (2)冲击功: GH1-GH2=AK (3)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；分析 断口判断缺陷； 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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图3-1 冲击试验机、试样和原理图
2. 多次冲击试验 冲击次数小于500－1000次， 试样断裂规律和一次冲击相同； 冲击次数大于105次时，试 样破坏具有典型的疲劳断口特 征，冲击损伤积累结果。 A－K曲线：冲击功和冲断 次数曲线，反比关系
A 冲击功
冲断周数 K
3、变形断裂特点
图3-2 多次冲击曲线
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低温脆性的危害
发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法 加以阻止，无任何征兆。 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城 先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材 料的冷脆造成的。 1912年当年最为豪华、号称永不沉没Titanic首航沉没于冰 海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取 自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特 别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
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三、冲击脆化效应
冲击载荷和静载荷失效相同点： 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂． 冲击载荷和静载荷失效不同点： 变形速率不同； 冲击载荷主要表现为脆性（脆化）； 塑性变形主要集中在局部区域。 冲击脆化主要原因-塑性变形难以充分进行，集中在局部区域： (1)应变速率。 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)冲击载荷。 使金属产生附加强化； 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，增加点缺陷浓度等。
图3-7 铁素体(体心立方)、奥氏体(面心立方)和奥氏体钢
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3、影响材料低温脆性的因素
1)．晶体结构的影响：bcc、hcp有，fcc没有 原因：加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象 2)．化学成分的影响：见下图
200 韧脆转变温度/℃ P C Cr Cu Mn Si
150
100 50 0 -50 -100
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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。 (3)多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； A低时，多冲抗力主要取决于强度。 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。
材料性能与测试
中南大学粉末冶金研究院 课件制作：曾凡浩
主讲：曾凡浩
(zengfanhao608@)
2
§目 录
许多机件工具模具受冲击载荷作用，如火箭的 发射、飞机的起飞降落、材料锻冲加工、防弹材料 等，本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点 及指标。
§3.1 冲击弯曲实验和冲击韧性 §3.2 低温脆性
图3-4 韧脆转变温度判据
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(2) FTP(fracure transition plastic)： ①高阶能：高于某温度，吸收的能量基本不变，形成上平台。 ②以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。高于FTP的断裂，得到 100％的纤维状断口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应 的温度。 (4) V15TT：以AKV=20.3N· m对应的温度。
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§3.1 冲击弯曲实验与冲击韧性
一、冲击弯曲实验
1.一次冲击弯曲试验
试验原理：摆锤式冲击试验机； 缺口试样[U型和V型]； 举至H1的位臵(位能为GH1)－ 释放摆锤－冲断试样－摆锤至 H2的位臵(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功(AKU和 AKV)。 测试标准：GB229-84和 GB2106-80。
图3-5 拉伸断口和冲击 断口的形貌示意图
时的温度为tk 。
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在10℃时，断口为 100％纤维区，冲 击值很高，韧性状 态；温度降到－ 25℃时，冲击值下 降一半，断口也出 现将近一半的结晶 区，处在韧性向脆 性转折的过渡状态； 当温度再降低至－ 80℃时，冲击值非 常低，断口为100 ％的结晶区，为完 全脆性状态。
拿破仑的纽扣－生活中的低温脆性
1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄 罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。 但加拿大著名化学家潘妮· 拉古德所著《拿破仑的纽扣：改变历 史的16个化学故事》中提到，一个简单的化学反应很有可能对 拿破仑的失败起了重要作用。 拿破仑部队军服上，采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然 而它有3种同素异形体—白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通 常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，四方晶系， 密度7.31g/cm3而在低温下(-13.2℃)，白锡发生化学反应而变成 粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm3因 此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出 现一些小孔，最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33 度 时，晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣，数十万大 军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人 得病而死。潘尼道：“毫无疑问，1812 年寒冷温度是造成拿破 仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，也 是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。”
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2008 年9 月25 日晚9 时10 分，中国自行研制的第 三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航 天发射场由“长征二号F”运载火箭发射升空。“长征 二号F”第三级火箭采用的是液氢液氧发动机，而在1 个大气压下，液氧的沸点是-183℃，液氢的沸点是253℃。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金的耐低温 特性，采用高强度铝合金材料制成。
2、断口形貌法： (1)断口形貌：
由纤维区F、放射区(结晶区)R、剪切 唇S组成。 和常见拉伸断口的区别： t不同，相对面积不同。 (面积～t曲线)
(2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)：
通常取结晶区面积占整个断口面积 50 ％
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图3-3 钢的脆性转变温度
韧脆转化温度tk及其评价方法
1、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度 NDT(Nilductility temp)： 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。 ②低阶能开始上升的温度为tk。 NDT以下，断口由100％结晶区(解理 区)组成。
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图3-7 落锤实验示意图
目前，NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂 设计根据的一部分，如： （1）NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于工 作温度，此时在高应力区的小裂纹处不会造成 脆性断裂； （2） NDT+33℃设计标准 对结构钢而言 NDT+33℃约为FTE，适用于原子能反应堆压 力容器标准。 （3） NDT+67℃适用于全塑性断裂，在塑性超 载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力，适 用于原子能反应堆压力容器标准。
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§3.2 低温脆性
定义：材料在某一温度tk下由韧变脆， 冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集 变为穿晶解理，断口由纤维状变为结晶 状。如体心立方金属，某些密排金属合 金。 测量不同温度(低、室、高温)下冲击韧 性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 是安全性指标之一，最低使用温度必须 高于tk。 原因：温度影响位错 在晶体中运动的磨擦阻力， 降低温度，阻力上升。材料变脆。
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§3.3 落锤实验
落锤试验与断裂分析图 普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状 态，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。 50年代初， 美海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。
图3-8 落锤实验设备
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落锤试验法的缺点：对脆性断裂不能定量 评定。没有考虑板厚的影响。 通过落锤式试验求得的NDT可以建立断裂 分析图FAD. 分析图FAD是应力、缺陷和温度之间关系 的综合图。它可以明确提供低强度钢构 件在温度、缺陷和应力作用下脆性断裂 开始和终止条件。
Ni
wt%
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2
图3-8 合金元素对钢韧脆转变温度的影响
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3)．显微组织的影响：细化晶粒增加韧性，降低tk； 例如：回火索氏体的冲击吸收功和tk最佳，回火贝氏 体次之，片状珠光体最差；
淬火马氏体
低温回火马氏体
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中温回火屈氏体
高温回火索氏体
图3-6 含锰1.39%低碳钢板系列冲击试验结果 (a) 冲击值-温度曲线；(b) 断口纤维区面积%-温度曲线； (c) 载荷-挠度曲线及断口形貌
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韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，它是 安全性能指标，是从韧性角度选材的依据之一。 对于在低温服役的材料，最低使用温度高于tk，二 者之差愈大愈安全(差20－60℃)。
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冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。 冲击载荷下：应力水平较高，许多位错源同时启动，抑制易滑移阶段 的产生和发展；增加位错密度，减少位错运动自由行程增加点缺陷浓 度等。导致强度提高。 塑性与韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。正断：减少； 剪断：不变或提高。
二、冲击韧性
1.一次冲击 (1)冲击韧度或冲击值a KU(aKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 aKU(aKV)＝AKU(AKV)/FN (2)冲击功: GH1-GH2=AK (3)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；分析 断口判断缺陷； 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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图3-1 冲击试验机、试样和原理图
2. 多次冲击试验 冲击次数小于500－1000次， 试样断裂规律和一次冲击相同； 冲击次数大于105次时，试 样破坏具有典型的疲劳断口特 征，冲击损伤积累结果。 A－K曲线：冲击功和冲断 次数曲线，反比关系
A 冲击功
冲断周数 K
3、变形断裂特点
图3-2 多次冲击曲线
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低温脆性的危害
发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法 加以阻止，无任何征兆。 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城 先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材 料的冷脆造成的。 1912年当年最为豪华、号称永不沉没Titanic首航沉没于冰 海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取 自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特 别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
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三、冲击脆化效应
冲击载荷和静载荷失效相同点： 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂． 冲击载荷和静载荷失效不同点： 变形速率不同； 冲击载荷主要表现为脆性（脆化）； 塑性变形主要集中在局部区域。 冲击脆化主要原因-塑性变形难以充分进行，集中在局部区域： (1)应变速率。 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)冲击载荷。 使金属产生附加强化； 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，增加点缺陷浓度等。
图3-7 铁素体(体心立方)、奥氏体(面心立方)和奥氏体钢
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3、影响材料低温脆性的因素
1)．晶体结构的影响：bcc、hcp有，fcc没有 原因：加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象 2)．化学成分的影响：见下图
200 韧脆转变温度/℃ P C Cr Cu Mn Si
150
100 50 0 -50 -100
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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。 (3)多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； A低时，多冲抗力主要取决于强度。 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。
材料性能与测试
中南大学粉末冶金研究院 课件制作：曾凡浩
主讲：曾凡浩
(zengfanhao608@)
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§目 录
许多机件工具模具受冲击载荷作用，如火箭的 发射、飞机的起飞降落、材料锻冲加工、防弹材料 等，本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点 及指标。
§3.1 冲击弯曲实验和冲击韧性 §3.2 低温脆性
图3-4 韧脆转变温度判据
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(2) FTP(fracure transition plastic)： ①高阶能：高于某温度，吸收的能量基本不变，形成上平台。 ②以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。高于FTP的断裂，得到 100％的纤维状断口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应 的温度。 (4) V15TT：以AKV=20.3N· m对应的温度。
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§3.1 冲击弯曲实验与冲击韧性
一、冲击弯曲实验
1.一次冲击弯曲试验
试验原理：摆锤式冲击试验机； 缺口试样[U型和V型]； 举至H1的位臵(位能为GH1)－ 释放摆锤－冲断试样－摆锤至 H2的位臵(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功(AKU和 AKV)。 测试标准：GB229-84和 GB2106-80。
图3-5 拉伸断口和冲击 断口的形貌示意图
时的温度为tk 。
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在10℃时，断口为 100％纤维区，冲 击值很高，韧性状 态；温度降到－ 25℃时，冲击值下 降一半，断口也出 现将近一半的结晶 区，处在韧性向脆 性转折的过渡状态； 当温度再降低至－ 80℃时，冲击值非 常低，断口为100 ％的结晶区，为完 全脆性状态。
拿破仑的纽扣－生活中的低温脆性
1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄 罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。 但加拿大著名化学家潘妮· 拉古德所著《拿破仑的纽扣：改变历 史的16个化学故事》中提到，一个简单的化学反应很有可能对 拿破仑的失败起了重要作用。 拿破仑部队军服上，采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然 而它有3种同素异形体—白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通 常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，四方晶系， 密度7.31g/cm3而在低温下(-13.2℃)，白锡发生化学反应而变成 粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm3因 此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出 现一些小孔，最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33 度 时，晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣，数十万大 军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人 得病而死。潘尼道：“毫无疑问，1812 年寒冷温度是造成拿破 仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，也 是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。”
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2008 年9 月25 日晚9 时10 分，中国自行研制的第 三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航 天发射场由“长征二号F”运载火箭发射升空。“长征 二号F”第三级火箭采用的是液氢液氧发动机，而在1 个大气压下，液氧的沸点是-183℃，液氢的沸点是253℃。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金的耐低温 特性，采用高强度铝合金材料制成。
2、断口形貌法： (1)断口形貌：
由纤维区F、放射区(结晶区)R、剪切 唇S组成。 和常见拉伸断口的区别： t不同，相对面积不同。 (面积～t曲线)
(2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)：
通常取结晶区面积占整个断口面积 50 ％
10
图3-3 钢的脆性转变温度
韧脆转化温度tk及其评价方法
1、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度 NDT(Nilductility temp)： 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。 ②低阶能开始上升的温度为tk。 NDT以下，断口由100％结晶区(解理 区)组成。
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图3-7 落锤实验示意图
目前，NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂 设计根据的一部分，如： （1）NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于工 作温度，此时在高应力区的小裂纹处不会造成 脆性断裂； （2） NDT+33℃设计标准 对结构钢而言 NDT+33℃约为FTE，适用于原子能反应堆压 力容器标准。 （3） NDT+67℃适用于全塑性断裂，在塑性超 载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力，适 用于原子能反应堆压力容器标准。
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§3.2 低温脆性
定义：材料在某一温度tk下由韧变脆， 冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集 变为穿晶解理，断口由纤维状变为结晶 状。如体心立方金属，某些密排金属合 金。 测量不同温度(低、室、高温)下冲击韧 性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 是安全性指标之一，最低使用温度必须 高于tk。 原因：温度影响位错 在晶体中运动的磨擦阻力， 降低温度，阻力上升。材料变脆。
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§3.3 落锤实验
落锤试验与断裂分析图 普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状 态，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。 50年代初， 美海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。