材料性能学-第3章概要

冲击韧度 用试样缺口处的截面 积SN(cm2)去除AKV (AKU)，即可得到试样 的冲击韧度或冲击值αKV (αKU )。
AKV (AKU ) αKV (αKU )= SN (3 4)
图3-2 冲击试验的原理图
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αKV (αKU)是一个综合性的力学性能指标，不 仅与材料的强度和塑性有关，试样的形状、尺寸、 缺口形式等都会对αK值产生很大的影响。 因此，αK只是材料抗冲击断裂的一个参考性指 标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代 换到具体零件上进行定量计算，单位为J/cm2。
材料性能学
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第三章 材料的冲击韧性 及低温脆性
3.1 材料在冲击载荷下的力学性能 3.2 材料的低温脆性
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3.1 材料在冲击载荷下的力学性能
3.1.1 前言
高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷。
许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用，如 飞机起落、内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连 杆使活塞和连杆间发生冲击，及金属件的冲压和锻造 加工等。
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3.1.4 冲击载荷下材料变形与断裂的特点
在冲击载荷作用下，零件的变形与破坏过程与静 载荷一样， 仍分为弹性变形、塑性变形和断裂三个 阶段。所不同的只是由于加载速度的不同，对这三 个阶段产生了不同的影响。
应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有 影响 弹性变形是以声速在介质中传播的（如在钢中为 4982m/s），而普通冲击试验时变形速度只有5 ~5.5m/s，高速冲击试验的变形速度也在103m /s以下。
当应变率大于10-2 s-1时，材料的力学性能将 发生显著变化。
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3.1.3 冲击载荷的能量性质
在冲击载荷下，由于它本身是冲击功，必须测 量载荷作用的时间及载荷在作用瞬间的速度变化 情况，才能按公式
F t m(v2 v1 )
计算出作用力F，这些数据是很难准确测量的， 并且在作用时间内，F 是一个变力。 因此，总是把冲击载荷作为能量而不是作为力 来处理，故冲击载荷具有能量的性质。
缺口冲击试样的载荷—挠度曲线
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相同冲击值的不同材料，其冲击值的物理意义可以相 差很大。
▶①强度高、塑性低、
无裂纹扩展功，说明裂 纹难以形成，但却来自百度文库易 失稳扩展。
▶②强度较高，裂纹难
以形成，且具有一定抗 裂纹扩展能力。
图3-4 三种典型的冲击载荷—位移曲线
▶③强度低并具有较大抵御裂纹扩展能力。
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试样开缺口的目的是为了使试样在承受冲击时在 缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附 近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断且 使断裂就发生在缺口处。缺口愈深、愈尖锐，冲击 吸收功愈低，材料的脆化倾向愈严重。
图3-1 冲击试样的安放
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冲击吸收功
AKV (AKU ) = mgH1 mgH2 (3 3)
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3.1.5 缺口试样的冲击试验和冲击韧性
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。常用标准试样的冲击吸收功AK 表示。 用于冲击试验的标准试样常为10mm×10mm× 55mm的U型或V型缺口试样，分别称为夏比 (Charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样。习惯 上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试样。 另外，对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料，冲击试 验常采用无缺口试样。
生产上用冲击载荷来实现静载荷难以实现的效果， 如凿岩机(6~8m/s)、穿甲弹(1.5~2.0km/s)等。
因此需要评定材料在冲击载荷作用下的力学行为。
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3.1.2 加载速率与应变速率
加载速率是指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。变形速率是单 位时间内的变形量。变形速率有两种表示方法： 变形速率：
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3.1.6 冲击试样断裂过程分析
在冲击试验所得到的冲击功AKU 和AKV 中，包 括试样在冲击断裂过程中吸收的弹性变形功、塑 性变形功和裂纹形成及扩展功等。简单的冲击试 验不能将这些不同阶段消耗的功区分开来，
因此，冲击功只能是一种混合的韧性指标，在 设计中不能定量使用。
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按照断裂过程的特点， 可将试样的冲击功分为弹 性变形功Ae ，塑性变形、 形变强化以及裂纹形成等 过程吸收的功AP，裂纹扩 展功Ad。 材料不同、试样形状不 同，载荷变形曲线中冲击 功各部分所占的比例也不 图3-3 同，其物理意义相差很大。
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对于ζs大致相同的材料，用AKV (AKU)可以评 定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感 性。 利用Charpy V缺口冲击试验试样尺寸小、加 工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立 冲击功与其他力学性能指标间的联系，代替较复 杂的试验如平面应变断裂韧性KIC。
dl v dt
(3 1)
式中，l是试样长度，t是时间。
单位时间内应变的变化量，称为应变速率，用 ε & 表示： dε dl v & ε (3 2) dt ldt l 式中，ε为试样的真应变。
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静拉伸试验的应变率为10-5~10-2 s-1，冲击试 验的应变率为102~104 s-1。此外，还有应变率 处于10-2~102 s-1的中等应变速率试验，如落锤、 旋转飞轮等。
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3.1.7 冲击试验的应用
ζs、ζb、δ、ψ和Ak 被称为材料常规力学性能 的五大力学性能指标。缺口冲击弯曲试验主要用 于揭示材料的变脆倾向： 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。 根据系列冲击试验(低温冲击试验)评定材料的 冷脆倾向， 供选材时参考或用于抗脆断设计。
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对塑性变形，随加载速度的增加，塑性形变来 不及充分进行，这就表现为弹性极限、屈服强度 等微量塑性变形抗力的提高。同时还发现塑性变 形是极不均匀的。 冲击载荷对塑性和韧性的影响比较复杂，当材 料在冲击载荷下，材料以正断方式断裂时，塑性 和韧性显著下降；而以切断方式断裂时，塑性和 韧性变化不大，有时还会有所增加。
缺口的形式对冲击功的数值有很大影响。缺口越 尖锐，试样的冲击功越小。
表3-1 缺口形式对某低合金钢冲击功的影响
缺口形式 冲击韧度，J/cm2 U型缺口 68 V型缺口 28 预制裂纹 10
因此，进行缺口试验时应根据材料的韧性情况， 选择合适的缺口。韧性很高的材料，应选尖锐的缺 口试样；低韧性材料，应选用钝缺口试样，甚至不 开缺口。