第四章 脆性断裂与材料的韧脆转变
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材料力学性能 第四章1
断裂力学的基本原理；
线弹性下断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。
前
言
6、裂纹类型（摘自P80附表）
工 艺 裂 纹 及 使 用 裂 纹
第四章
金属的断裂韧度
§4.1 线弹性条件下的金属断裂韧度
§4.2 断裂韧度KⅠc的测试
§4.3 影响断裂韧度KⅠc的因素
§4.4 断裂K判据应用案例 §4.5 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
等的方法。 二、外力功（Work of the External Force) 固体在外力作用下变形，引起力作用点沿力作用方向位移， 外力因此而做功，则成为外力功。
三、变形能（Strain Energy)
在弹性范围内，弹性体在外力作用下发生变形而在体内积蓄 的能量，称为弹性变形能，简称变形能。
拉伸的弹性应变能（补充）
三、裂纹扩展能量释放率GⅠ及断裂韧度GⅠc
对于具有穿透裂纹的无限大板(平面应变)：
§4.2
断裂韧度KIC的测试
一、试样的形状、尺寸及制备
§4.2
断裂韧度KIC的测试
一、试样的形状、尺寸及制备
• 由于这些尺寸比塑性区宽度R0大一个数量级，所以可以 保证裂纹尖端是平面应变和小范围屈服状态。 • 试样材料、加工和热处理方法也要和实际工件尽量相同， 试样加工后需要开缺口和预制裂纹。
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
(一)裂纹尖端应力场(线弹性理论)： (1)设有一承受均匀拉应力σ的无限大板(厚薄均可)，
含有长为2的I型穿透裂纹。
其尖端附近(r，θ)处应力、应变和位移分量(r«)：
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠcຫໍສະໝຸດ 在裂纹延长线上， θ=0，则：
在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最大， 裂纹最易沿x轴方向扩展。 r→0时，应力分量趋近于无穷大，表明裂纹尖端处是奇异点。
《材料性能学》课后答案
《材料性能学》课后答案《⼯程材料⼒学性能》（第⼆版）课后答案第⼀章材料单向静拉伸载荷下的⼒学性能⼀、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作⽤下，应变落后于应⼒现象。
静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最⾼应⼒。
⽐例极限：应⼒—应变曲线上符合线性关系的最⾼应⼒。
包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。
解理断裂：沿⼀定的晶体学平⾯产⽣的快速穿晶断裂。
晶体学平⾯－－解理⾯，⼀般是低指数，表⾯能低的晶⾯。
解理⾯：在解理断裂中具有低指数，表⾯能低的晶体学平⾯。
韧脆转变：材料⼒学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断⼝特征由纤维状转变为结晶状）。
静⼒韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静⼒韧度。
是⼀个强度与塑性的综合指标，是表⽰静载下材料强度与塑性的最佳配合。
⼆、⾦属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学姓能?答案：⾦属的弹性模量主要取决于⾦属键的本性和原⼦间的结合⼒，⽽材料的成分和组织对它的影响不⼤，所以说它是⼀个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不⼤。
三、什么是包⾟格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包⾟格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时⼏乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形⽴即开始了。
包⾟格效应可以⽤位错理论解释。
第⼀，在原先加载变形时，位错源在滑移⾯上产⽣的位错遇到障碍，塞积后便产⽣了背应⼒，这背应⼒反作⽤于位错源，当背应⼒(取决于塞积时产⽣的应⼒集中)⾜够⼤时，可使位错源停⽌开动。
04 材料的断裂
一、脆性断裂机理
脆性断裂的两种主要机理：解理断裂和沿晶断裂。 对解理断裂：实验结果表明，尽管解理断裂是典型的 脆性断裂，但解理裂纹的形成却与材料的塑性变形有 关，而塑性变形是位错运动的结果，因此，为了探讨 解理裂纹的产生，不少学者采用位错理论来解释解理 裂纹形成机理。
解理裂纹形成机理：
(1) 甄纳－斯特罗(Zener-Stroh)理论（位错塞积理论）
则ζm＝28.3 GPa。
目前强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料 的断裂强度比其理论值低1~3个数量级。
实际的材料不是完整的晶体，即基本假设不正确。实 际的材料总会存在各种缺陷和裂纹等不连续的因素， 缺陷引起的应力集中对断裂的影响是不容忽视的。
晋代刘昼在《刘子· 慎隙》中作了这样的归纳:“墙之 崩隤，必因其隙；剑之毁折，皆由于璺（wen）。尺蚓 穿堤，能漂一邑”。 意思是说：墙的倒塌是因为有缝隙，剑的折断是因 为有裂纹，小小的蚯蚓洞穿大堤，会使它崩溃、淹没 城市。
Griffith裂纹模型
整个系统的能量变化为: Ue+W=4aγs-πσ2a2/E
由图可知，当裂纹增长到2ac后， 若再增长，则系统的总能量下 降。从能量观点来看，裂纹长 度的继续增长将是自发过程， 则临界状态为:
（Ue+W）/ a =4γs-2πζ2a/E =0 裂纹失稳扩展的临界应力为:
形成裂纹的有效切应力
i 必须满足以下关系式：
裂纹扩展并导致解理断裂的条件是外加正应力ζ达到临 界应力ζc ：
其中G为切变模量， Ky 是Hall − Petch关系式中的钉扎常数。
由上式可以看出，晶粒越小，断裂应力提高，材料脆性降低。
（2）柯垂尔(Cottrell)理论(位错反应理论)
材料性能与测试课件-第四章材料的断裂韧性
等效裂纹塑性区修正： 等效裂纹塑性区修正：
K ＝Yσ a + r
Ⅰ
y
K =
Ⅰ
Yσ πa 1 − 0.16Y (σ / σ )
2 s 2
2
K =
Ⅰ
Yσ a 1 − 0.056Y (σ / σ )
等效裂纹修正K 图4-4 等效裂纹修正 Ⅰ
2
16
裂纹扩展能量释放率G 五、裂纹扩展能量释放率 Ⅰ及判据 1、GⅠ：
定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放， 定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放，令
∂U σ πa = G =− ∂a E ∂U (1 −ν )σ πa G =− = ∂a E
2 Ⅰ 2 2 Ⅰ
平面应力
平面应变
判据： 2、判据：
相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。 和KI相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。当GⅠ增大到临界值GⅠ C， 失稳断裂， 失稳断裂， GⅠC也称为断裂韧度。表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面 也称为断裂韧度。 积所消耗的能量。 积所消耗的能量。 裂纹失稳扩展断裂G 裂纹失稳扩展断裂G判据
8
图4-2 裂纹尖端的应力分析
应力分量
Ⅰ x
应变分量
Ⅰ x
θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν − sin sin ) σ = cos (1 − sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν + sin sin ) σ = cos (1 + sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 2(1 + ν ) K θ θ 3θ K θ θ 3θ sin cos cos ) γ = τ = sin cos cos E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2
第四章 材料的断裂韧性
2021/7/14
• 在平面应变条件下
• 对于Ⅰ型穿透裂纹，
• 对于一定材料和厚度的板材，不论其 裂纹尺寸如何，当裂纹张开位移达到 同一临界值δC时，裂纹就开始扩展。
• 临界值δC也称为材料的断裂韧度，表 示材料阻止裂纹开始扩展的能力。
• 平面应变状态应变分量为
2021/7/14
• 平面应变状态x、y轴方向的位移 分量为
2021/7/14
• 可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、 应变和位移分量取决于该点的坐标(r， θ)、材料的弹性模数以及参量KI。
• 对于如图所示的平面应力情况，KI可用 下式表示。
2021/7/14
• 若裂纹体的材料一定，裂纹尖端附近某一点的 位置(r，θ)给定，则该点的各应力、应变和 位移分量唯一决定于KI值，KI值愈大，则该点 各 反映应了力裂、纹应尖变端和区位域移应分力量场之的值强愈度高，，故因称此之，为KI 应力场强度因子，它综合反映了外加应力、裂 纹形状、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影 响，其一般表达式为
• 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson 证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹 的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑 性断裂力学。
2021/7/14
• 断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变 和应变能的分布情况，建立了描述裂 纹扩展的新的力学参量、断裂判据和 对应的材料力学性能指标—断裂韧度 ，以此对机件进行设计和校核。
• 式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的形状 。
• K型I的和脚Ⅲ标型表裂示纹I的型应裂力纹场，强同度理因，子KⅡ。、KⅢ表示Ⅱ • 对2021于/7/14 不同形状的I型裂纹裂纹，KI和Y的表达式
2021/7/14
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• 在平面应变条件下
• 对于Ⅰ型穿透裂纹，
• 对于一定材料和厚度的板材，不论其 裂纹尺寸如何，当裂纹张开位移达到 同一临界值δC时，裂纹就开始扩展。
• 临界值δC也称为材料的断裂韧度，表 示材料阻止裂纹开始扩展的能力。
• 平面应变状态应变分量为
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• 平面应变状态x、y轴方向的位移 分量为
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• 可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、 应变和位移分量取决于该点的坐标(r， θ)、材料的弹性模数以及参量KI。
• 对于如图所示的平面应力情况，KI可用 下式表示。
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• 若裂纹体的材料一定，裂纹尖端附近某一点的 位置(r，θ)给定，则该点的各应力、应变和 位移分量唯一决定于KI值，KI值愈大，则该点 各 反映应了力裂、纹应尖变端和区位域移应分力量场之的值强愈度高，，故因称此之，为KI 应力场强度因子，它综合反映了外加应力、裂 纹形状、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影 响，其一般表达式为
• 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson 证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹 的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑 性断裂力学。
2021/7/14
• 断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变 和应变能的分布情况，建立了描述裂 纹扩展的新的力学参量、断裂判据和 对应的材料力学性能指标—断裂韧度 ，以此对机件进行设计和校核。
• 式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的形状 。
• K型I的和脚Ⅲ标型表裂示纹I的型应裂力纹场，强同度理因，子KⅡ。、KⅢ表示Ⅱ • 对2021于/7/14 不同形状的I型裂纹裂纹，KI和Y的表达式
2021/7/14
2021/7/14
材料的力学性能第4章 材料的断裂
77-9
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
77-10
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
77-4
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 ✓ 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也 可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
2 )C0
2
c － 扩展的临界应力 ；
c － 碳化物的表面能 ；
E － 弹性模量；
－ 泊松系数；
C0 － 碳化物厚度
77-32
RAL
4.3 脆性断裂
4.3.2 脆性断裂的微观特征 （1）解理断裂
解理断裂 准解理 沿晶断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是 极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解 理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数 情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而 在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料； 反之，大于5%者则为韧性材料。
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
77-10
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
77-4
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 ✓ 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也 可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
2 )C0
2
c － 扩展的临界应力 ；
c － 碳化物的表面能 ；
E － 弹性模量；
－ 泊松系数；
C0 － 碳化物厚度
77-32
RAL
4.3 脆性断裂
4.3.2 脆性断裂的微观特征 （1）解理断裂
解理断裂 准解理 沿晶断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是 极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解 理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数 情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而 在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料； 反之，大于5%者则为韧性材料。
材料性能学 4.断裂韧性
定厚度后保持不
变。因此，工程 上 KⅠC 是指达到 一定厚度后（平
面应变）断裂韧
度。
过渡区
KC 平面应力
平面应变
KⅠC
B
B
2.5
K C
s
2
五、裂纹尖端塑性区及 KⅠ修正
按K1建立的脆性断裂判据,只适用于线弹性体。其实， 金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现或 大或小的塑性变形区，
如果塑性区尺寸裂纹尺寸及净截面尺寸小时，（小 一个数量级以上）即在小范围屈服下，对K进行修正 后，依然可用。
究点到裂纹尖端距离 r 有如下关系：
1
y r 2
或
1
r 2 y K
1
当 r →0 时， σy →∞，表明裂纹尖端前沿应力场具有 r 2阶奇异性。参
数 K 表征了应力场奇异性程度，其含义是，当 r →0 时， σy 以 K 的速度→∞， K 越大，则σy →∞的速度也越大，表明应力分布曲线越陡，即应力集中程度 越大，因此，参数 K 又称为“应力场强度因子”。
二、裂纹尖端应力状态
1、平面应力状态
x 0
y 0
xy 0
z 0
yz zx 0
z
E
x
y
对含穿透裂纹的薄板，可将裂纹顶端前沿视为平面应力 状态，此时材料受剪切力大，易于塑性变形，阻碍裂纹扩展。
2、平面应变状态
z 0
x 0 y 0 xy 0
x 0 y 0 z x y
2
R01
1
Hale Waihona Puke Ks平面应力
R02
2
1
2
K
s
2
平面应变
三维塑性区形状及塑性区内应力分布
变。因此，工程 上 KⅠC 是指达到 一定厚度后（平
面应变）断裂韧
度。
过渡区
KC 平面应力
平面应变
KⅠC
B
B
2.5
K C
s
2
五、裂纹尖端塑性区及 KⅠ修正
按K1建立的脆性断裂判据,只适用于线弹性体。其实， 金属材料在裂纹扩展前，其尖端附近总要先出现或 大或小的塑性变形区，
如果塑性区尺寸裂纹尺寸及净截面尺寸小时，（小 一个数量级以上）即在小范围屈服下，对K进行修正 后，依然可用。
究点到裂纹尖端距离 r 有如下关系：
1
y r 2
或
1
r 2 y K
1
当 r →0 时， σy →∞，表明裂纹尖端前沿应力场具有 r 2阶奇异性。参
数 K 表征了应力场奇异性程度，其含义是，当 r →0 时， σy 以 K 的速度→∞， K 越大，则σy →∞的速度也越大，表明应力分布曲线越陡，即应力集中程度 越大，因此，参数 K 又称为“应力场强度因子”。
二、裂纹尖端应力状态
1、平面应力状态
x 0
y 0
xy 0
z 0
yz zx 0
z
E
x
y
对含穿透裂纹的薄板，可将裂纹顶端前沿视为平面应力 状态，此时材料受剪切力大，易于塑性变形，阻碍裂纹扩展。
2、平面应变状态
z 0
x 0 y 0 xy 0
x 0 y 0 z x y
2
R01
1
Hale Waihona Puke Ks平面应力
R02
2
1
2
K
s
2
平面应变
三维塑性区形状及塑性区内应力分布
材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(4)
公式进行判断：
ac
0.25
KIC
2
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
1、高强度钢的脆断倾向 这类钢的强度很高，0.2≥1400MPa，主要用于航 空航天，工作应力较大，但断裂韧度较低，如18Ni马 氏体时效钢，0.2=1700MPa，KIC=78MPa·m1/2，若工 作应力=1250MPa时，利用上述公式可得ac=1mm，这 样小的裂纹在机件焊接过程中很容易产生，用无损检 测方法也容易漏检，所以此类机件脆断几率很大，因 此在选材时在保证不塑性失稳的前提下，尽量选用0.2 较低而KIC较高的材料。
B工艺：/0.2=1400/2100=0.67<0.7，故不必考虑
塑性区修正问题。由公式 KIC YcB a
可得： cB
1 Y
KIC a
Φ 1.1
KIC
a
1.273
47
1.1 3.14 0.001
971MPa
与其工作应力=1400MPa相比， cB< ，即工
作时会产生破裂，说明B工艺是不合格的，这和
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
其0.2=1800MPa，KIC=62MPa·m1/2，焊接后发现焊缝
中有纵向半椭圆裂纹，尺寸为2c=6mm，a=0.9mm，
试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作？
t
D
解：根据材料力学理 论可以确定该裂纹受 到的垂直拉应力：
pD 61.5 900MPa
趋于缓和，断裂机理不再发生
变化。
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
7.应变速率：应变速率έ具有 KIC
与温度相似的效应。增加έ相 当于降低温度，使KIC下降，
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图4-20 40钢多冲性能和静载 性能随回火温度的变化
说明： 用中、低强度材料制作的中、小型零件，由于较 高的断裂韧性，一般不会发生脆断，因而可以应用多 冲抗力的结论。 用中、低强度钢制作的大型铸锻件、焊接件及高 强度材料制成的零件，制造工艺复杂，微小裂纹或缺 陷，在多次冲击的条件下，可能成为疲劳裂纹萌生源， 逐渐扩展到临界裂纹尺寸而发生脆性断裂，多冲抗力 不一定高。
一次冲击试验的总功AK由三部分组成： AK = Ae + Ap + Ad 其中，Ae —弹性变形功 Ap —塑性变形功 Ad—裂纹扩展功。
对于不同材料，其总冲击功AK可能相同，但Ae、 Ap、Ad等 三部分所占的比例可能会不同，所表现出来的韧脆情况会有很 大差异，断口形貌也会明显不一样。
韧性材料冲击试样断口形貌示意图
碳素结构钢的变温韧脆转化趋势示意图
冲击试验的工程应用
•冲击功对材料内部组织变化非常敏感，能灵敏反映出材料品质、 宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，可以揭示原材料中的夹 渣、气孔、严重分层、偏析、夹杂物等冶金缺陷以及锻造裂纹、 纤维组织、各向异性、回火脆性、过热、过烧等热加工或热处 理缺陷，因而，冲击试验在生产上被广泛采用，成为检验工艺 流程规范有效性和产品质量的一种重要手段。 • 冲击试验结果可用于确定材料的应变时效敏感性
A mg h h
两种加载方式： 悬梁式 ——艾氏冲击试验法，试样截面 为圆形或正方形，V型缺口，很 少使用。 ——夏比试样，长度为55mm， 1010mm方棒 •U型缺口试样 •V型缺口试样
ห้องสมุดไป่ตู้
横梁式
由于缺口形式对冲击实验结果影响很大，因此，为了正确地 揭示材料的力学行为，应选择合适的缺口形式，对于韧性很好的 金属材料，一般应选用V型缺口试样，而对于韧性较差的材料，则 应选用U型缺口试样，甚至不开缺口。 冲击实验机的标准打击能量为300J或150J。室温冲击试验一 般应在23±5℃范围内进行。对于高温或低温冲击试验，可采用各 种方法加热或冷却试样。
在生产中意义：
在使用过程中，实际零件承 受的冲击能量都是比较低的，大 部分承受冲击载荷的零件的寿命 都要求在几万次甚至上百万次以 上，因此，在选材和制定工艺时 应尽量考虑强度的作用。 但是，也不能片面追求高强 度，要得到最佳多冲抗力，必须 兼顾强度、塑性和韧性的配合。 ——对应于一定的冲击能量，存 在最佳回火温度。 ——冲击能量提高，冲击破断次 数的峰值逐渐向高温区移动。
将冷加工后的钢板在某一温度放置前后的试样进行冲击实 验，测定其冲击功的变化，确定其是否存在应变时效现象，避 免在使用过程中出现脆性断裂问题。
K前 K后 时效敏感性 100% 前
•评定材料的脆性转变趋势，供选材时参考或用于抗脆断设计。
——为了保证一定的温度储备，构件最低使用温度与材料韧 脆转变温度之差要足够大，对于一些主要机件，可以取60℃， 对于非重要机件可以取20℃，一般情况下取40℃即可。 需要注意的是，虽然通过系列冲击试验可以得到材料 的韧脆转化温度，但是，这一指标仅具有指导意义，上述实 验得到的冲击试验结果是否能真实反映构件在服役过程中的 失效情况，取决于试验条件与实际构件失效情况的逼近程度。
1、冲击载荷的定义及特征 冲击是以很大的速度将载荷作用到物体上的一种 加载方式，作用力在极短的时间内有很大的变化幅度， 材料在变形过程中出现高的形变速率，使材料的塑性 变形机制、断裂机制和抗力发生明显变化，从而表现 出与静载情况完全不同的力学行为。
冲击载荷和静载荷比较：
•加载速率不同
静载荷：应变速率10-4～10-2 / s 冲击载荷：应变速率102～106/s •冲击载荷表现为能量性质的载荷 ——一般把冲击载荷作为能量而不是作为力来处理， 以考察材料受冲击后的力学行为及抵抗冲击的能力。 •冲击能量为整个受载荷体系所承受
碳含量对普碳钢DBTT影响的系列冲击试验结果
除了内部因素外，外界条件变化对于材料韧脆转变行为也 具有显著影响。 ——在从室温到900C温度范围内对结构钢进行系列冲击试验， 总的趋势是AK值随温度的下降而降低，但是，在某些温度范围 内，冲击功会急剧下降，与其相对应的就是材料出现冷脆性、 蓝脆性与重结晶脆性的温度范围。
——在冲击情况下，所考察零件只承受总冲击能量的 一部分，因此，应把所研究的零件与相邻部件一起考虑。
由于冲击载荷与静载荷的不同，从而使得冲击时零 件的力学行为（变形与断裂）具有其自身特点。
2、冲击载荷作用下金属材料的变形与断裂
• 弹性变形 ——弹性变形总体能跟得上外加载荷的变化，加载速率对金 属弹性变形阶段力学行为及弹性模量等基本上没有什么影响。
在没有进行严格的无损探伤情况下，应谨慎 应用多冲抗力的有关结论。
本章结束
•一次冲击试验
•系列冲击试验 •多次冲击试验
一次冲击试验
将规定形状尺寸的试样放置在固定支架上，然后把具有一 定位能的摆锤释放，使试样承受冲击载荷弯曲以至断裂。
冲击前以摆锤位能形 式存在的能量中的一部分 被试样在受冲击后发生断 裂的过程中所吸收。 摆锤的起始高度与冲 断试样后所达到的最大高 度之间的差值可以直接转 换成试样在冲断过程中所 消耗的能量。
第四章 冲击载荷作用下金属的变 形与断裂
《第四章材料的脆性断裂与韧-脆转变》
研究冲击载荷作用下金属变形与断裂的工程意义 • 利用冲击载荷工作
• 冲击载荷导致零件过早损坏
——机械碰撞和各种形式的爆炸载荷是最常见的冲击载荷 如内燃机膨胀冲程中活塞和连杆之间发生冲击； 运行中的火车车轮和轨道接头之间的冲击； 大功率汽轮发电机当外电路短路时轴受到的冲击扭矩作用。
多次重复冲击试样及其 工作位置示意图
•绘制A-N曲线 ——冲击疲劳曲线。
•材料的多冲抗力指标 ——一定冲击能量A下的冲断周次N ——要求冲断周次N下的冲击能量A
——塑性好 强度低
——强度高 塑性差
——一次冲断的冲击功AK
——随着冲击能量A逐渐降低， 冲断周次N逐渐增加。
35钢多冲曲线（A~N）
对于不同热处理状态的同一材料，多冲曲线出现交点，交 点附近表示强度和韧性两个主导因素作用的转移。 ——交点以左，冲击能量大，35钢500℃回火态时多冲抗力高 ——交点以右，冲击能量小，35钢200℃回火态时多冲抗力高 因此，冲击能量较高时，材料的冲击抗力主要取决于材料 的塑性和韧性。冲击能量低时，材料的冲击抗力主要取决于材 料的强度。
多次重复冲击试验 小能量多次重复冲击试验采用连续冲击试验机 （凸轮落锤式），圆柱形试样，三点或四点弯曲加载， 冲锤作上下往复直线运动。 •通过改变冲锤重量、冲头 大小和冲击速度来调整冲 击能量A。 •固定一个冲击能量时就得 到一个冲断周次N。 •采用不同的冲击能量A就 可以得到一系列的相应冲 断周次N。
P
冲击拉伸 静拉伸
• 塑性变形
DL
——由于加载速度快，使塑性变形来不及充分进行，弹性极 限、屈服强度等变形抗力指标比静载下有所提高。 • 断 裂 ——冲击载荷对于断裂过程的影响与材料的相对塑性有关， 总的趋势是增加脆性倾向。
3、冲击实验 冲击试验是目前工程上最方便、最简单的测定金 属抗冲击载荷能力的方法。 迄今仍然以通过冲击试验获得的冲击韧性或冲击 功作为最基本的力学行能数据，表达材料承受冲击载 荷的能力和评定材料的韧脆程度，并在设计中用作保 证零件安全性的主要指标之一。
系列冲击实验与韧脆转变温度 ——改变试验温度，进行 系列冲击实验，可确定材 料韧脆转变温度范围。
低温
→
高温
冲击韧性及韧脆转变温度的影响因素
——材料在冲击载荷下的力学行为与合金晶体结构、成分以及 微观组织密切相关。 •注意：不是所有材料都存在韧脆转变现象 •FCC结构的合金在所有温度下都是韧性的，而高强度合金与陶 瓷材料在任何温度下都显示脆性； •体心立方及某些密排 六方金属与合金具有 明显的韧脆转变现象。
•在进行冲击试验操作时，将试样水平放置在冲击试验机的砧座 上，试样缺口背向打击面。在打击瞬间，摆锤冲击速度约为 5.0~5.5m/s，试样被迫以高的应变速率弯曲并断裂。 •在此过程中试样所吸收的能量即为冲击功，根据缺口试样类型
不同，可分别记为AKU或AKV，J。
•冲击功除以试样缺口处的横截面积为冲击韧性（aK），J/cm2。
说明： 用中、低强度材料制作的中、小型零件，由于较 高的断裂韧性，一般不会发生脆断，因而可以应用多 冲抗力的结论。 用中、低强度钢制作的大型铸锻件、焊接件及高 强度材料制成的零件，制造工艺复杂，微小裂纹或缺 陷，在多次冲击的条件下，可能成为疲劳裂纹萌生源， 逐渐扩展到临界裂纹尺寸而发生脆性断裂，多冲抗力 不一定高。
一次冲击试验的总功AK由三部分组成： AK = Ae + Ap + Ad 其中，Ae —弹性变形功 Ap —塑性变形功 Ad—裂纹扩展功。
对于不同材料，其总冲击功AK可能相同，但Ae、 Ap、Ad等 三部分所占的比例可能会不同，所表现出来的韧脆情况会有很 大差异，断口形貌也会明显不一样。
韧性材料冲击试样断口形貌示意图
碳素结构钢的变温韧脆转化趋势示意图
冲击试验的工程应用
•冲击功对材料内部组织变化非常敏感，能灵敏反映出材料品质、 宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，可以揭示原材料中的夹 渣、气孔、严重分层、偏析、夹杂物等冶金缺陷以及锻造裂纹、 纤维组织、各向异性、回火脆性、过热、过烧等热加工或热处 理缺陷，因而，冲击试验在生产上被广泛采用，成为检验工艺 流程规范有效性和产品质量的一种重要手段。 • 冲击试验结果可用于确定材料的应变时效敏感性
A mg h h
两种加载方式： 悬梁式 ——艾氏冲击试验法，试样截面 为圆形或正方形，V型缺口，很 少使用。 ——夏比试样，长度为55mm， 1010mm方棒 •U型缺口试样 •V型缺口试样
ห้องสมุดไป่ตู้
横梁式
由于缺口形式对冲击实验结果影响很大，因此，为了正确地 揭示材料的力学行为，应选择合适的缺口形式，对于韧性很好的 金属材料，一般应选用V型缺口试样，而对于韧性较差的材料，则 应选用U型缺口试样，甚至不开缺口。 冲击实验机的标准打击能量为300J或150J。室温冲击试验一 般应在23±5℃范围内进行。对于高温或低温冲击试验，可采用各 种方法加热或冷却试样。
在生产中意义：
在使用过程中，实际零件承 受的冲击能量都是比较低的，大 部分承受冲击载荷的零件的寿命 都要求在几万次甚至上百万次以 上，因此，在选材和制定工艺时 应尽量考虑强度的作用。 但是，也不能片面追求高强 度，要得到最佳多冲抗力，必须 兼顾强度、塑性和韧性的配合。 ——对应于一定的冲击能量，存 在最佳回火温度。 ——冲击能量提高，冲击破断次 数的峰值逐渐向高温区移动。
将冷加工后的钢板在某一温度放置前后的试样进行冲击实 验，测定其冲击功的变化，确定其是否存在应变时效现象，避 免在使用过程中出现脆性断裂问题。
K前 K后 时效敏感性 100% 前
•评定材料的脆性转变趋势，供选材时参考或用于抗脆断设计。
——为了保证一定的温度储备，构件最低使用温度与材料韧 脆转变温度之差要足够大，对于一些主要机件，可以取60℃， 对于非重要机件可以取20℃，一般情况下取40℃即可。 需要注意的是，虽然通过系列冲击试验可以得到材料 的韧脆转化温度，但是，这一指标仅具有指导意义，上述实 验得到的冲击试验结果是否能真实反映构件在服役过程中的 失效情况，取决于试验条件与实际构件失效情况的逼近程度。
1、冲击载荷的定义及特征 冲击是以很大的速度将载荷作用到物体上的一种 加载方式，作用力在极短的时间内有很大的变化幅度， 材料在变形过程中出现高的形变速率，使材料的塑性 变形机制、断裂机制和抗力发生明显变化，从而表现 出与静载情况完全不同的力学行为。
冲击载荷和静载荷比较：
•加载速率不同
静载荷：应变速率10-4～10-2 / s 冲击载荷：应变速率102～106/s •冲击载荷表现为能量性质的载荷 ——一般把冲击载荷作为能量而不是作为力来处理， 以考察材料受冲击后的力学行为及抵抗冲击的能力。 •冲击能量为整个受载荷体系所承受
碳含量对普碳钢DBTT影响的系列冲击试验结果
除了内部因素外，外界条件变化对于材料韧脆转变行为也 具有显著影响。 ——在从室温到900C温度范围内对结构钢进行系列冲击试验， 总的趋势是AK值随温度的下降而降低，但是，在某些温度范围 内，冲击功会急剧下降，与其相对应的就是材料出现冷脆性、 蓝脆性与重结晶脆性的温度范围。
——在冲击情况下，所考察零件只承受总冲击能量的 一部分，因此，应把所研究的零件与相邻部件一起考虑。
由于冲击载荷与静载荷的不同，从而使得冲击时零 件的力学行为（变形与断裂）具有其自身特点。
2、冲击载荷作用下金属材料的变形与断裂
• 弹性变形 ——弹性变形总体能跟得上外加载荷的变化，加载速率对金 属弹性变形阶段力学行为及弹性模量等基本上没有什么影响。
在没有进行严格的无损探伤情况下，应谨慎 应用多冲抗力的有关结论。
本章结束
•一次冲击试验
•系列冲击试验 •多次冲击试验
一次冲击试验
将规定形状尺寸的试样放置在固定支架上，然后把具有一 定位能的摆锤释放，使试样承受冲击载荷弯曲以至断裂。
冲击前以摆锤位能形 式存在的能量中的一部分 被试样在受冲击后发生断 裂的过程中所吸收。 摆锤的起始高度与冲 断试样后所达到的最大高 度之间的差值可以直接转 换成试样在冲断过程中所 消耗的能量。
第四章 冲击载荷作用下金属的变 形与断裂
《第四章材料的脆性断裂与韧-脆转变》
研究冲击载荷作用下金属变形与断裂的工程意义 • 利用冲击载荷工作
• 冲击载荷导致零件过早损坏
——机械碰撞和各种形式的爆炸载荷是最常见的冲击载荷 如内燃机膨胀冲程中活塞和连杆之间发生冲击； 运行中的火车车轮和轨道接头之间的冲击； 大功率汽轮发电机当外电路短路时轴受到的冲击扭矩作用。
多次重复冲击试样及其 工作位置示意图
•绘制A-N曲线 ——冲击疲劳曲线。
•材料的多冲抗力指标 ——一定冲击能量A下的冲断周次N ——要求冲断周次N下的冲击能量A
——塑性好 强度低
——强度高 塑性差
——一次冲断的冲击功AK
——随着冲击能量A逐渐降低， 冲断周次N逐渐增加。
35钢多冲曲线（A~N）
对于不同热处理状态的同一材料，多冲曲线出现交点，交 点附近表示强度和韧性两个主导因素作用的转移。 ——交点以左，冲击能量大，35钢500℃回火态时多冲抗力高 ——交点以右，冲击能量小，35钢200℃回火态时多冲抗力高 因此，冲击能量较高时，材料的冲击抗力主要取决于材料 的塑性和韧性。冲击能量低时，材料的冲击抗力主要取决于材 料的强度。
多次重复冲击试验 小能量多次重复冲击试验采用连续冲击试验机 （凸轮落锤式），圆柱形试样，三点或四点弯曲加载， 冲锤作上下往复直线运动。 •通过改变冲锤重量、冲头 大小和冲击速度来调整冲 击能量A。 •固定一个冲击能量时就得 到一个冲断周次N。 •采用不同的冲击能量A就 可以得到一系列的相应冲 断周次N。
P
冲击拉伸 静拉伸
• 塑性变形
DL
——由于加载速度快，使塑性变形来不及充分进行，弹性极 限、屈服强度等变形抗力指标比静载下有所提高。 • 断 裂 ——冲击载荷对于断裂过程的影响与材料的相对塑性有关， 总的趋势是增加脆性倾向。
3、冲击实验 冲击试验是目前工程上最方便、最简单的测定金 属抗冲击载荷能力的方法。 迄今仍然以通过冲击试验获得的冲击韧性或冲击 功作为最基本的力学行能数据，表达材料承受冲击载 荷的能力和评定材料的韧脆程度，并在设计中用作保 证零件安全性的主要指标之一。
系列冲击实验与韧脆转变温度 ——改变试验温度，进行 系列冲击实验，可确定材 料韧脆转变温度范围。
低温
→
高温
冲击韧性及韧脆转变温度的影响因素
——材料在冲击载荷下的力学行为与合金晶体结构、成分以及 微观组织密切相关。 •注意：不是所有材料都存在韧脆转变现象 •FCC结构的合金在所有温度下都是韧性的，而高强度合金与陶 瓷材料在任何温度下都显示脆性； •体心立方及某些密排 六方金属与合金具有 明显的韧脆转变现象。
•在进行冲击试验操作时，将试样水平放置在冲击试验机的砧座 上，试样缺口背向打击面。在打击瞬间，摆锤冲击速度约为 5.0~5.5m/s，试样被迫以高的应变速率弯曲并断裂。 •在此过程中试样所吸收的能量即为冲击功，根据缺口试样类型
不同，可分别记为AKU或AKV，J。
•冲击功除以试样缺口处的横截面积为冲击韧性（aK），J/cm2。