第二章冲击韧性和冷脆转变
第二章 钢结构的材料
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
工程材料第二章 (材料的力学行为)
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材料规定应力循环基数
钢铁材料：应力循环次数 为：107 有色金属：应力循环次数 为：108
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2.1.4 冲击韧度（韧性） 1）概念
材料在冲击载荷的作用下，抵 抗破坏的能力。
2）试验方法
一次冲击弯曲实验，或称一次 性摆锤弯曲冲击试验。
3）冲击韧度指标
以材料受冲击断裂时单位面积 上所消耗的能量来表示的。 (J/mm2 ) Ak-冲击功，F-缺口处截面积
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（3）残余应力的危害 降低工件的承载能力 当残余应力与工作应力一致时可能会使工件 产生宏观或微观的破坏。 使工件尺寸及形状发生变化 ； 在其平衡状态受到破坏，工件的应力状态将 发生变化，从而引起工件形状和尺寸的变 化，丧失精度。 降低工件的耐蚀性 残余应力的存在，使金属晶体处于高的能量 状态下，金属易与周围介质发生化学反应， 而导致金属耐蚀性降低 （4）消除残余应力主要方法：
ak ＝Ak /F
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一般情况下： a 值越小,表明材料的韧性越 低， 脆性越大。 一般把韧性值a 高的材料称作 韧性材料， a 值低的材料称为 脆件材料。
k k k
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Titanic沉没原因
Titanic ——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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3) 孪生
(1) 孪生变形 在切应力作用下，晶体的 一部分对应于一定的晶面 （孪晶面）产生一定角度 的切变。 (2) 特点 原子移动的距离与原子离 开孪晶面的距离成正比； 相邻原子间的位移只有一 个原子间距的几分之一。
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2.2.2 多晶体的塑性变形
1) 晶界和晶粒位向的影响
(1) 晶界的影响 两晶粒试样拉伸变形特点 远离晶界的地方变形量较 大，而晶界附近变形量较小 （“竹节”现象）。
第2章 复习思考题答案
第2章复习思考题答案1.Q235钢的应力—应变曲线可以分为哪4个阶段，可得到哪些强度指标？（1）弹性阶段。
钢材在此阶段，当荷载降为零时（完全卸载），变形也降为零（回到原点）。
Q235钢的比例极限f p≈200N/mm2,对应的应变εp≈0.1%。
（2）弹塑性和屈服阶段。
当应力超过弹性极限后，应力与应变不再成正比，应变增大加快，材料进入弹塑性阶段。
随后，应力呈锯齿状波动，甚至出现应力不增加而应变仍在继续发展的现象，卸载后试件不能完全恢复原来的长度，这个阶段称之为屈服阶段。
Q235钢的屈服点f y≈235N/mm2,对应的应变εp≈0.15%，流幅ε≈0.15%～2.5%。
（3）强化阶段。
屈服阶段之后，曲线再度上升，但应变的增加快于应力的增加，塑性特征明显，这个阶段称为强化阶段。
对应于最高点的应力为抗拉强度或极限强度fu。
（4）颈缩阶段。
到达极限强度后，试件出现局部截面横向收缩，塑性变形迅速增大，即颈缩现象。
此时，只要荷载不断降低，变形能继续发展，直至试件断裂。
2.什么叫屈强比，它对结构设计有何意义？钢材的屈服强度（屈服点）f y与抗拉强度fu的比值，称为屈强比。
屈强比是衡量钢材强度储备的一个系数。
屈强比越低，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。
屈强比愈低钢材的安全储备愈大，但屈强比过小时，钢材强度的利用率太低，不够经济；屈强比过大时，安全储备太小，且构件变形能力小。
3.什么叫塑性破坏和脆性破坏？各有什么特征？钢材在静力单向均匀拉伸下，试件破坏前有很大的塑性应变，这种破坏称为塑性破坏。
钢结构中的钢材因受各种因素的影响还会发生另一种破坏，即脆性破坏，两者的破坏特征有明显的区别。
塑性破坏是指构件产生明显的变形、应力达到材料的极限强度后而发生的破坏，破坏断口呈纤维状，色泽发暗，破坏前有较大的塑性变形，且变形持续时间长，容易及时发现并采取有效补救措施，通常不会引起严重后果。
材料的冲击韧性及低温脆性课件
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
第二章金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化
金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富，生产工艺简单、成熟，而且还因为它具有优良的性能。
通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等)，物理性能(密度、熔点、导热性、热膨胀性等)，化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。
使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。
2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如锻造，焊接，热处理，压力加工，切削加工等方面的性能。
工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。
1．1材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至断裂。
材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。
锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。
1．1．1 强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。
材料强度指标可以通过拉伸试验测出。
把一定尺寸和形状的金属试样(图1～2)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。
根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图1—3)。
在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。
图1—3所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d)，横坐标是伸长量AL(也可换算为应变e)。
所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。
图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线，分析曲线A，可以将拉伸过程分为四个阶段：1．弹性阶段即曲线的o-e段，在此段若加载不超过e点的应力值，卸载后试件的变形可全部消失，故e点的应力值为材料只产生弹性变形时应力的最高限，称为弹性极限，曲线的o～e’段为直线，在此段内应力与应变成正比，即材料符合虎克定律，该段称为线弹性阶段。
材料的冲击韧性和低温脆性
（4） 50％FATT（fracture appearance
transition temperature）结晶区面积百分比 的增大,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占 50％时的温度为韧脆转化温度，记为50％FATT
● （5） V15TT――以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N m)对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。 实践经验总结而提出 的方法.
冲 击 试 验 机
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●
● 二、 冲击韧性及其工程意义 ● ● 冲击韧性：材料在冲击载荷的作用下吸收塑性变形功和断裂功
的能力。 ● ● 冲击韧性是数学平均值，实际上缺口截面上的应力应变分布是
极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近， 取平均值无物理意义。
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●用途： ●1.反映原材料的冶金质量和热加工后产品
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如何确定Tk？ NDT？ 太可怕！ FTP？ 太保守！
以低阶能和高阶能 平均值对应的温度作 为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
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冲击功 结晶区面积(%)
温度
0 高阶能
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
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● 第四节 影响材料低温脆性的因素
●
内部因素
化学成分 晶体结构 宏观组织 金相组织
温度
外部因素
加载速率
试样尺寸和形状
•1． 晶体结构的影响： 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。
冲击韧性韧脆转变温度
• 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
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2. 疲劳断裂的特点
☺疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于
材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限 ☺断裂前没有明显的塑性变形，即使伸长率δ 和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此 ☺疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感， 疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油 孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等 处形成； ☺实验数据分散性较大
材料性能测试技术
Performance Testing of Materials
主讲教师： 李爱香
上次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.4 材料弯曲的力学性能
1.5 材料扭转的力学性能 1.6 硬度
本次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.7 材料的冲击韧性和低温脆性 1.8 材料的疲劳性能
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原理：试样被冲断过 程中吸收的能量即冲 击吸收功（Ak ）等于 摆锤冲击试样前后的 势能差。
计算公式： Ak=Gh – G h1 =G（h – h1） = AK/Fk （KJ/m2） 式中：AK——冲击功，试样断裂前吸收的能量； Fk ——缺口处截面面积；G——摆锤重量； h－ h1——冲断试样前后摆锤的高度差
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3.零件疲劳失效的过程
零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、 疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。 疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即 疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。
1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂
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4. 提高疲劳强度的途径
☺合理的选择材料。☺零件设计时形状、 Nhomakorabea寸合理。
材料力学性能重点总结
名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于1%-4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式：滑移和孪生6弹性极限：以规定某一少量的残留变形为标准，对应此残留变形的应力。
7比例极限：应力与应变保持正比关系的应力最高限。
8屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%的残留变形的应力作为屈服强度。
9韧性断裂是材料断裂前发生产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的断裂过程，在裂纹扩展过程中不断的消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并于主应力成45度角。
10脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑形变形，没有明显征兆，危害性很大。
断裂面一般与主应力垂直，端口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
11剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿着滑移面分离而造成的断裂，又分滑断和微孔聚集性断裂。
12解理断裂：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，总是脆性断裂。
13缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化，产生所谓“缺口效应“①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度σbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值. NSR=σbn / σs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，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变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。
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工程材料力学性能
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韧脆转变的影响因素
• 材料状态
晶格类型
成分：C,P,O,H,N,Mo升高或Al,Si超过一定含 量，Tk升高；Ni,Mn升高或Ti,V超过一定含 量，Tk降低
冷作时效：上贝氏体组织Tk升高，低温马氏 体、奥氏体以及高温回火组织使Tk下降
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冲击与静态拉伸的区别
• 静态时零件所受力取决于载荷和零件最 小断面面积；冲击载荷具有能量特性， 冲击应力不仅与零件的断面面积有关， 而且与其形状和体积有关。
细化晶粒使Tk下降
• 应力状态
• 残余应力
• 应变速率
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第一节：冲击试验和冲击吸收功
速率 10-8 10-6 10-4 10-2
类型 蠕变
准静态
加载 恒应力 液压或机械
100 102 104 106 中等 冲击 高速冲击 气压 机械 爆破冲击
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工程材料力学性能
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第二章 冲击韧性和冷脆转变
第一节：冲击试验和冲击吸收功 第二节：低温脆性和冷脆转变温度
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工程材料力学性能
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工程材料力学性能
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工程材料缺 口敏感性和冷脆倾向；
• 冲击吸收功或冲击韧性对冶金缺陷 和加工质量敏感，广泛用于评定冶 金质量和工艺质量。
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工程材料力学性能
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冲击试验的应用
• 评定材料及半成品的质量 • 确定冷脆倾向及韧脆转变温度
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工程材料力学性能
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第二节：低温脆性和冷脆转变温度
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工程材料力学性能
• 无缺口时，与整个体积有关；有缺口时， 根部吸收能量多。
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冲击吸收功的意义
• 冲击吸收功包括弹性功＋塑性功＋撕裂 功。
• 若弹性功大，塑性功小，撕裂功几乎为 零，则材料断裂前塑性变形小，裂纹一 旦形成就立即扩展直至断裂，断口呈放 射状甚至结晶状脆性断口。
• 塑性功大，裂纹扩展的撕裂功也大，则 为纤维状为主的韧性断口。