第三章 材料的冲击韧性及低温韧性
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。
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。
材料性能学课后习题与解答
绪论1、简答题什么是材料的性能？包括哪些方面？[提示]材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为；解：材料的性能是指材料在给定外界条件下所表现出的可定量测量的行为表现。
包括力学性能（拉、压、、扭、弯、硬、磨、韧、疲）物理性能（热、光、电、磁）化学性能（老化、腐蚀）。
第一章单向静载下力学性能1、名词解释：弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝解：弹性变形：材料受载后产生变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
塑性变形：微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。
弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应力。
弹性比功：弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：材料预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低的现象。
弹性模量：工程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。
实质是产生100%弹性变形所需的应力。
滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
内耗：加载时材料吸收的变形功大于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
超塑性：在一定条件下，呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断口。
2、简答(1)材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？解：键合方式和原子结构，共价键、金属键、离子键E高，分子键E低原子半径大，E小，反之亦然。
晶体结构，单晶材料在弹性模量在不同取向上呈各向异性，沿密排面E大，多晶材料为各晶粒的统计平均值；非晶材料各向E同性。
化学成分，微观组织温度，温度升高，E下降加载条件、负载时间。
对金属、陶瓷类材料的E没有影响。
高聚物的E随负载时间延长而降低，发生松弛。
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
材料性能学课程教学大纲
《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。
力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。
物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。
通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。
三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。
西华大学《材料性能学》总复习题
绪论二、单项选择题1、下列不是材料力学性能的是（）A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能2、属于材料物理性能的是（）A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性三、填空题1、材料的性能可分为两大类：一类叫_ _，反映材料在使用过程中表现出来的特性，另一类叫_ _，反映材料在加工过程中表现出来的特性。
2、材料在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，叫做材料_ 。
四、简答题1、材料的性能包括哪些方面？2、什么叫材料的力学性能？常用的金属力学性能有哪些？第一章材料单向静拉伸的力学性能一、名词解释弹性极限：强度:屈服强度：抗拉强度：塑性变形：韧性：二、单项选择题1、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系，画出的力——伸长曲线（拉伸图）可以确定出金属的（）A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性2、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为（）A、抗压强度B、屈服强度C、疲劳强度D、抗拉强度3、拉伸实验中，试样所受的力为（）A、冲击B、多次冲击C、交变载荷D、静态力4、常用的塑性判断依据是（）A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性5、工程上所用的材料，一般要求其屈强比（）A、越大越好B、越小越好C、大些，但不可过大D、小些，但不可过小6、工程上一般规定，塑性材料的δ为（）A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%7、形变强化是材料的一种特性，是下列（）阶段产生的现象。
A、弹性变形；B、冲击变形；C、均匀塑性变形；D、屈服变形。
8、在拉伸过程中，在工程应用中非常重要的曲线是（）。
A、力—伸长曲线；B、工程应力—应变曲线；C、真应力—真应变曲线。
9、空间飞行器用的材料，既要保证结构的刚度，又要求有较轻的质量，一般情况下使用（）的概念来作为衡量材料弹性性能的指标。
A、杨氏模数；B、切变模数；C、弹性比功；D、比弹性模数。
材料性能学第三章 材料的冲击韧性及低温脆性
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
图3-2 U型缺口试样尺寸及加工要求 图3-3 V型缺口试样尺寸及加工要求
测定冲击吸收功时，陶瓷、铸铁或工具钢 等脆性材料无需开缺口。
10mm×l0mm×5
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
2、多次冲击试验
多次冲击试验的规律 当试样破坏前,承受的冲击次数少于500～1000
二、冲击韧性及其工程意义
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
1．一次冲击
⑵ 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。
⑶ 对σs（屈服强度）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。
钢的脆性转变温度
实验温度（℃）
第二节 低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
系列冲击实验证明：体心立方或某些密排六方的晶 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（韧脆转变温度）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。
温度 不同材料的冷脆倾向
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。
一、系列冲击实验与低温脆性
第二节 低温脆性
从宏观角度分析，材料低温跪
Titanic
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❖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。
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
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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
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
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Introductions of 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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Introductions of Material Properties
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
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
➢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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Introductions of Material Properties
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。
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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
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
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
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。
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基本不变， 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。
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Introductions of Material Properties
§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
(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；
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