材料力学性能第三章
材料力学材料的力学性能优质课件
卸载
第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
结论与讨 论
再加载
第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
结论与讨 论
将卸载再加载曲线与原来旳应力-应变曲线进行比较(图 中曲线OAKDE上旳虚线所示)，能够看出：K点旳应力数值远 远高于A点旳应力数值，即百分比极限有所提升；而断裂时旳 塑性变形却有所降低。这种现象称为应变硬化。工程上常利 用应变硬化来提升某些构件在弹性范围内旳承载能力。
延伸率和截面收缩率旳数值越大，表白材料旳韧性越 好。工程上一般以为δ>5％者为韧性材料； δ＜5％者为脆 性材料。
第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
单向压缩时材料旳力学行为
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第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
单向压缩时材料旳力学行为
材料压缩试验，一般采用短试样。低碳钢压 缩时旳应力-应变曲线。与拉伸时旳应力-应变曲 线相比较，拉伸和压缩屈服前旳曲线基本重叠， 即拉伸、压缩时旳弹性模量及屈服应力相同，但 屈服后，因为试样愈压愈扁，应力-应变曲线不断 上升，试样不会发生破坏。
试样旳变形将随之消失。
这表白这一阶段内旳变形都是
弹性变形，因而涉及线性弹性阶段
在内，统称为弹性阶段。弹性阶段 旳应力最高限
第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
弹性力学性能
百分比极限与弹性极 限
大部分韧性材料百分比极限与弹性 极限极为接近，只有经过精密测量才干 加以区别。
第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
单向压缩时材料旳力学行为
第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
结论与讨论
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第3章 轴向载荷作用下材料旳力学性能
结论与讨 论
第三章 Mechanical Properties(材料的力学性能)
3 Mechanical Properties (1)—1 Introduction and Concepts of Stress and strain教学目的：了解材料力学性能在实际中的应用，掌握表征材料力学性能的参数，施加载荷的类型；了解拉伸试验和测试的标准样品；熟练掌握工程应力和应变的概念。
教学重点：材料的工程应力和应变。
教学难点：剪切和扭转测试。
教学方法：多媒体和板书相结合。
学时分配：3.1 Introduction 30 min3.2 Concepts of stress and strain3.2.1 Tension tests 30 min3.2.2 Compression tests 10 min3.2.3 Shear and torsional tests 20 min教学过程与内容：3.1 Introduction回顾：性能与结构，性能与加工、制备间的关系。
Many materials, when in service, are subjected to forces or loads; examples include the aluminum alloy from which an airplane wing is constructed and the steel in an automobile axle. In such situations it is necessary to know the characteristics of the material and to design the member from which it is made such that any resulting deformation will not be excessive and fracture will not occur. The mechanical behavior of a material reflects the relationship between its response or deformation to an applied load or force. Important mechanical properties are strength, hardness, ductility, and stiffness.The mechanical properties of materials are ascertained by performing carefully designed laboratory experiments that replicate as nearly as possible the service conditions. Factors to be considered include the nature of the applied load and its duration, as well as the environmental conditions. It is possible for the load to be tensile, compressive, or shear, and its magnitude may be constant with time, or it may fluctuate continuously. Application time may be only a fraction of a second, or it may extend over a period of many years. Service temperature may be an importantfactor.Mechanical properties are of concern to a variety of parties (e.g., producers and consumers of materials, research organizations, and government agencies) that have differing interests. Consequently, it is imperative that there be some consistency in the manner in which tests are conducted, and in the interpretation of their results. This consistency is accomplished by using standardized testing techniques. Establishment and publication of these standards are often coordinated by professional societies.The role of structural engineers is to determine stresses and stress distributions within members that are subjected to well-defined loads. This may be accomplished by experimental testing techniques and/or by theoretical and mathematical stress analyses. These topics are treated in traditional stress analysis and strength of materials texts.Materials and metallurgical engineers, on the other hand, are concerned with producing and fabricating materials to meet service requirements as predicted by these stress analyses. This necessarily involves an understanding of the relationships between the microstructure (i.e., internal features) of materials and their mechanical properties.Materials are frequently chosen for structural applications because they have desirable combinations of mechanical characteristics. This chapter discusses the stress–strain behaviors of metals, ceramics, and polymers and the related mechanical properties; it also examines their other important mechanical characteristics.3.2 Concepts of stress and strainIf a load is static or changes relatively slowly with time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress–strain test; these are most commonly conducted for metals at room temperature. There are three principal ways in which a load may be applied: namely, tension, compression, and shear (Figures 3.1 a, b, c). In engineering practice many loads are torsional rather than pure shear; this type of loading is illustrated in Figure 3.1 d.Figure 3.13.2.1 Tension testsOne of the most common mechanical stress–strain tests is performed in tension. As will be seen, the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of materials that are important in design. A specimen is deformed, usually to fracture, with a gradually increasing tensile load that is applied uniaxially along the long axis of a specimen. A standard tensile specimen is shown in Figure 3.2. Normally, the cross section is circular, but rectangular specimens are also used. During testing, deformation is confined to the narrow center region, which has a uniform cross section along its length. The standard diameter is approximately 12.8 mm, whereas the reduced section length should be at least four times this diameter; 60 mm is common. Gauge length is used in ductility computations; the standard value is 50 mm. The specimen is mounted by its ends into the holding grips of the testing apparatus. The tensile testing machine is designed to elongate the specimen at a constant rate, and to continuously and simultaneously measure the instantaneous applied load and the resulting elongations. A stress–strain test typically takes several minutes to perform and is destructive; that is, the test specimen is permanently deformed and usually fractured.Figure 3.2To minimize these geometrical factors, load and elongation are normalized to the respective parameters of engineering stress and engineering strain. Engineering stress σ is defined by the relationshipA F =σ (3.1) in which F is the instantaneous load applied perpendicular to the specimen cross section, in units of newtons (N), and A 0 is the original crosssectional area before any load is applied (m 2). The units of engineering stress are megapascals, MPa (SI).Engineering strain ε is defined according to00l l l l l i ∆=-=ε (3.2) in which l 0 is the original length before any load is applied, and l i is the instantaneous length. Sometimes the quantity l i - l 0 is denoted as Δl , and is the deformation elongation or change in length at some instant, as referenced to the original length. Engineering strain (subsequently called just strain) is unitless, but meters per meter or inches per inch are often used; the value of strain is obviously independent of the unit system.3.2.2 Compression testsCompression stress –strain tests may be conducted if in-service forces are of this type. A compression test is conducted in a manner similar to the tensile test, except that the force is compressive and the specimen contracts along the direction of the stress. Equations 3.1 and 3.2 are utilized to compute compressive stress and strain, respectively. By convention, a compressive force is taken to be negative, which yields a negative stress. Furthermore, since l 0 is greater than l i , compressive strains computed from Equation 3.2 are necessarily also negative. Tensile tests are more common because they are easier to perform; also, for most materials used in structural applications, very little additional information is obtained from compressive tests. Compressive tests are used when a material’s behavior under large and permanent (i.e., plastic) strains is desired, as in manufacturing applications, or when the material is brittle in tension.3.2.3 shear and torsional testsFor tests performed using a pure shear force as shown in Figure 3.1c, the shearstress τ is computed according toA F =τ (3.3) where F is the load or force imposed parallel to the upper and lower faces, each of which has an area of A 0 . The shear strain γ is defined as the tangent of the strain angle θ, as indicated in the figure. The units for shear stress and strain are the same as for their tensile counterparts. Torsion is a variation of pure shear, wherein a structural member is twisted in the manner of Figure 3.1d; torsional forces produce a rotational motion about the longitudinal axis of one end of the member relative to the other end. Examples of torsion are found for machine axles and drive shafts, and also for twist drills. Torsional tests are normally performed on cylindrical solid shafts or tubes. A shear stress τ is a function of the applied torque T , whereas shear strain γ is related to the angle of twist, ф in Figure 3.1d.Brief Summary总结本节讲的主要内容，及其重点。
第三章材料力学性能及指标
20%(HRB400) 目前,强度再提高25%第的三章H材料R力B学性5能0及0指钢标 筋已具备生产能力.
1.1.1 钢筋的品种
建筑结构与选型Ⅰ
第一部分 建筑结构概论
第三章 结构材料的力学性能及指标
2021年2月23日
1 结构材料基本要求
第三章材料力学性能及指标
第三章材料力学性能及指标
1. 结构材料的基本要求
支撑起结构的自重及外加荷载； 能够承受一定的变形能力； 破坏要求预兆； 能够长时间使用； 能够被大量引用；
强度
弹性
1.1 钢 筋
除在构件的受拉区配筋外，还有许多其他配筋方式
受压构件中配置受压钢筋
梁中配置箍筋
受扭构件配筋
螺旋箍筋约束混凝土
图 1-3 第常三见章配材筋料方力式学性能及指标
1.1 钢 筋
除在构件的受拉区配筋外，还有许多其他配筋方式
第三章材料力学性能及指标
1.1.1 钢筋的品种
热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋
1+1>2
第三章材料力学性能及指标
1 钢筋和混凝土材料的力学性能
材料的力学性能
钢筋
强度
混凝土
变形
两者间的粘结
粘结破坏的 过程和机理
第三章材料力学性能及指标
1.1 钢 筋
Steel Reinforcement (or Rebar)
◎ 抗拉和抗压强度都很高 Both tensile and compressive strengths are high
工程材料力学性能第三章资料
1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单 位为J。 冲击韧性：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。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。
三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的 强度关系随温度的增加而增加。
图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响
第二节
冲击弯曲和冲击韧性
不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均 匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的； 零件 体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的 应力和应变也愈小。 含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多 的能量，使局部应变和应变速率大为升高。 另一个 特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击 过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。 这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑 性。 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示 材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力 学性能。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料 对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： 4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性 一、 低温脆性 低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低 到零而变为脆性状态。 从现象上看，是屈服强 度随温度降低而急剧增加的结果 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂 强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σc， 金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现 为脆性的； 而在Tc以上，σs<σc，金属在断裂 前发生塑性变形，故表现为塑性的。 低温脆性对压力容器\桥梁和船舶结构以及在低温 下服役的机件是非常重要的.
第3-4章 建筑结构材料的力学性能与设计原则
七,设计表达式——正常使用极限
S≤C
式中:C——结构或构件达到正常使用极限要求的限值 裂缝—表5.2.5(P111),挠度—表5.2.6(P113)
1,裂缝验算——取荷载效应的标准组合
S=Sk S=Sq
S k = S Gk + S Q1k + ∑ψ ci S Qik
i =2
n
2,挠度验算——取荷载效应的准永久组合
第三章 建筑结构材料的力学性能
3.1 材料的弹性,塑性和延性 一,弹性 弹性——材料受力后,当外力移去时,应力 弹性 和应变都可以完全恢复为零的特性. 二,塑性 塑性——材料受力后,即使外力移去,应变 塑性 也不能完全恢复为零的特性,即有残余应变. 延性——材料超过弹性极限后直至破坏过程 三,延性 延性 中的变形能力良好的性能. 四,脆性 脆性——材料破坏前变形能力差的性能. 脆性
�
定义,表现
2,正常使用 极限状态
定义,表现
4.2.3 建筑结构的设计状况
1,持久状况:如正常使用 2,短暂状况:如施工堆载 3,偶然状况:如爆炸
4.2.4 结构设计原理与方法
一,结构的可靠度 建筑结构在 规定的时间内? ←设计基准期,通常为50年 规定的条件下? ←正常设计,正常施工,正常使用 完成预定功能? ←安全性,适用性,耐久性, 的概率.
4.2.1 结构的功能要求 1,安全性——安全等级,表4.2.1 2,适用性——裂缝,挠度 3,耐久性——设计基准期 4,稳定性:整体稳定,局部稳定
4.2.2 结构的极限 极限状态 极限
一,定义:
由可靠向失效转变的临界状态. 是结构或其构件能够满足前述某一功能要 求的临界状态.
二,分类:P43-44 1,承载能力 极限状态
第三章 材料力学性能及指标
1.什么是结构？建筑结构是如何分类的？
由若干构件连接而成的能承受荷载和其他间接作用的体系，叫
做建筑结构。
2.结构必须满足哪些功能要求？
安全性、适用性、耐久性
3.什么是作用？什么是结构抗力？
施加在结构上的集中力或分布力，称为作用。
结构或结构构件承受效应的能力，叫结构抗力。
4.什么是结构的极限状态？
bc—屈服阶段
e
cd—硬化阶段
de—颈缩阶段
fb fy
b b
a c a’ a dc
d
f
e
s
d c
a—弹性极限fp c—屈服强度fy d—极限强度fb
o
e
s0.2
0
某些无明显屈服点的材料，以残余变形0.2%对应应力
作为名义屈服强度。 0.2%
e
b. 弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复到原 始形状的性质，称为弹性。 s e f d 弹性模量： Es s e u fbf a’ dc
y
f
e
b
材料在外力作用下产生变形，
当外力除去后，部分变形恢
复的性质，称为塑性。
a
残余变形 弹性变形
e
c. 冲击韧性 冲击韧性是指材料抗冲击而不破坏的能力。
d. 徐变和应力松弛
混凝土的徐变是指混凝土在长期的、不变的、较高的荷载作用 下，其变形随时间的增长而增加的现象，称为徐变。
变 形 卸荷后的瞬时回缩 永久变形 时间 5d 20d
c. 结构材料要有相应的重度； d. 结构材料要有相对低廉的价格； e. 结构材料要有良好的环保性能。
以材料的力学性能指标评定
材料力学性能-第三章-冲击载荷
高当于低某于一某温一度温，度材时，
温度
料材吸料收吸能收量的也冲基击本功不基变本，
形不成随一温个度平变台化，，称形为成一 “平 在高台此阶，区能称 间”为 冲，“ 击此吸低区收阶间功能冲很”， 击低吸，收表功现很为高完，全材的料脆表性 现断为裂完，全这韧一性温断度裂称，为此无 低阶能
温塑度性称转为变塑或性零断塑裂性转转变变
温度
0 高阶能
冲击功 结晶区面积(%)
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。
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
图3-7 系列温度冲击试验曲线
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日 bcc金属具有低温脆性的原因： 1.bcc金属的p-n 比fcc金属高很多，并且在影响屈服强 度的因素中占有较大比例。而p-n 属短程力，对温度 十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。 2.bcc金属具有迟屈服现象，即对材料施加一大于屈 服强度的高速载荷时，材料需要经过一段孕育期（也 称为迟屈服时间）才开始塑性变形，而在孕育期内只 发生弹性变形。由于没有塑性变形消耗能量，有利于 裂纹扩展，易产生脆性破坏。
NDT
冲击功 结晶区面积(%)
0 高阶能
FTP
100
温度FNTDPT(F(Nraicl tDuruectility
图3-7 系列温度冲击试验曲线
TreamnpsietriaotnurPel)astic)。
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
材料力学性能第三章
12/15/2014
3
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承 载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连 物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从 而影响加速度和惯性力的大小。 由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于 按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲 击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部 转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计 算。
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冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：
这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形 和破断， 一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及 轴承与测量机构中的摩擦消耗等。 通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤 轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不 同试验机上测得的Ak值相差10-30%。
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第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 定义：
体心立方晶体金属及合金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（铁 素体-珠光体钢）， 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，断口特征由纤 维状变为结晶状，这就是低温脆性。
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低温脆性是材料屈服强 度随着温度的降低急剧 增加的结果。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小， 两线交点对应的温度就 是tk。
材料力学性能第三章PPT课件
下，在摆锤下落至最低位置处
将试样冲断，之后摆锤升值高
度H2。
摆锤在冲断试样时所做的功称 冲击吸收功 Ak 除以缺口底部
为冲击吸收功：
净横截面积 SN：
A KG (H 1H 2) K AK/SN
3-2 冲击弯曲和冲击韧性
冲击吸收功的意义
❖冲击实验中，冲断试样所吸收的冲击吸收 功是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总 功。（忽略试样掷出、机身振动、空气阻力等）
PGy之前为塑性变形阶段；从 PGy开始进入塑性变形和形变强 化阶段（塑性变形只发生在缺口 附近局部范围，且缺口越尖锐， 参与塑性变形的体积越小，得到 的冲击功越低）。
韧性较高的材料，选择尖锐 缺口试样；韧性差的材料，选择 钝缺口试样甚至不开缺口。
3-1 冲击载荷下材料变形与断裂的特点
载荷达到Pmax时，缺口根 部开始横向收缩，承载面积减 小，试样承载能力降低，载荷 下降。在Pmax附近试样内部萌 生裂纹。
时间短；整个机件承受冲击能；与机件联接物 体的刚度。
通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能， 再按能量守恒法计算。 （3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。
∵ 弹性变形的速度4982m/s（＞声速）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.的特点
2. 影响冲击性能的微观因素
材料力学性能
第三章 材料在冲击载荷下 的力学性能
第三章 材料在冲击载荷下的力学性能
3-1 冲击载荷下材料变形与断裂的特点 3-2 冲击弯曲和冲击韧性 3-3 低温脆性
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第三章 材料在冲击载荷下的力学性能
引言
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率。 加载速率：单位时间内应力增加的数值； 形变速率：单位时间内的形变量。分为绝对形 变速率和相对形变速率。
第3章 材料的力学性能1
②屈服强度σs —材料开始发生塑性变形时对应 的应力。 ③弹性模量E —描述应力和应变之间的比例关系。 ④延伸率δ —表征材料的塑性程度。 ⑤断面伸缩率Ψ — ⑥冲击韧性αk —抗冲击的能力（主要用于低温） ⑦硬度G—描述材料软硬的程度等。 ⑧疲劳— 使用寿命。
力学性能
提高材料屈服强度的方法很多： （1）通过热处理方法—方便，但要求它在固态下发生相变， 满足这种要求的合金包括在固态下经历有序—无序转变的合 金，伴随这一过程出现的材料强化称为有序强化，它在许多 方面类似于沉淀强化。通常利用的与热处理有关的强化方式
是过饱和固溶体的沉淀强化和共析分解反应的共析强化。如
什么影响，难以去改变键合类型和结合力来强化材 料。在这方面，一般常见的方法就是形成新的相 （因为新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。
力学性能
2. 位错 我们有很多方法来影响材料中的位错，通 过影响位错的运动来达到强化材料的目的。 所以可以说，近代金属物理领域中的最大成 果就是关于材料中的位错的研究。
min r max
疲劳
（1）对称交变应力，如图（a）所示，
σm =0，r=－1。大多数旋转轴类零件的 循环应力就是这种情况。 （2）不对称交变应力，如图如图（b）所示，
－1＜r＜0。发动机连杆的循环应力就是 这种情况。
疲劳
（3）波动应力，如图如图（c）所示，
σm＞σa，0＜r＜1。 发动机缸盖螺栓的循环应力就是这种情况。 （4）脉动应力，如图如图（d）所示， σm =σa＞0，r=0。
不同材料的应力—应变曲线
弯曲试验
a) 三点弯曲加载
b) 四点弯曲加载
硬度试验
定义：表示材料抵抗他物压入的能力。它在机械制造中具有特殊的意义。
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4/17/2014
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塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征 与断裂方式有关：
如果在一定加载条件及温度下，材料产生正 断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率 的增加而减小； 如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率 提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不 变或提高。
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在不同温度下进行冲击弯曲试验 根据试验结果作出冲击吸收功-温度曲线、 断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲 线， 试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线 等， 根据这些曲线来求得tk。
4/17/2014
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4/17/2014
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缺口试样的冲击弯曲试验原理
试验在摆锤式冲击试验机上进行 标准试样：U型缺口或V型缺口，分别称为夏比 （Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样 用不同缺口试样测出的冲击吸收功分别用AKU、AKV表 示 测量球铁或工具钢脆性材料的冲击吸收功，常采用10 mm×10 mm×50 mm的无缺口冲击试样 14
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4/17/2014
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珠光体的定义：
当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳 体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金 的相变是在恒温下实现的。 也就是说这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生 相变时，如果消失两者同时消失，如果出现则两者同 时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。 基于以上原因，人们就把这种由特定比例构成的两相 组织当作一种组织来看，命名为珠光体，这种钢就叫 做共析钢。 所以碳含量正好为0.77%的钢就叫做共析钢，它的组 织结构是珠光体。
4/17/2014
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金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进 行，主要有以下两方面的原因：
1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多 位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易 滑移阶段的产生与发展。 2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目， 出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长 度，增加了点缺陷的浓度。
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第三节 低温脆性
一、低温脆性现象 定义：
体心立方晶体金属及合金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（铁 素体-珠光体钢）， 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，断口特征由纤 维状变为结晶状，这就是低温脆性。
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转变温度tk称为韧脆转变温度，也称为冷脆转 变温度 面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现 象 但在0-4.2K的极低温度下，奥氏体钢及铝合金 也有冷脆性 低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及 在低温下服役的机件非常重要。
4/17/2014
4/17/2014
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试验在摆锤式冲击试验机上 进行。 试验过程： 将样品水平放在试验机的支 座上，缺口位于冲击相背的 方向。 然后将具有一定质量m的摆锤 举至一定高度H1，使其获得 一定位能mgH1。 释放摆锤冲断试样，摆锤的 剩余能量为mgH2，则摆锤冲 断试样失去的位能为mgH1mgH2，这就是试样变形和断 裂所消耗的功，称为冲击吸 收功，以Ak表示，单位为J。
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低温脆性是材料屈服强 度随着温度的降低急剧 增加的结果。 见右图，屈服点随着温 度的下降而升高，但材 料的解理断裂强度随着 温度的变化很小， 两线交点对应的温度就 是tk。
由于材料化学成分的统 计性，tk实际上是温度 区间，而不是一个温度 点
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由于加载速率增加，形变速率也增加 形变速率指单位时间内的变形量，包括绝对 变形量和相对变形量 可用形变速率间接反映加载速率的变化，包 括绝对形变速率和相对形变速率 相对形变速率，又称为应变率，指单位时间 内应变的变化量
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冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：
这是由于缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形 和破断， 一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及 轴承与测量机构中的摩擦消耗等。 通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤 轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不 同试验机上测得的Ak值相差10-30%。
刚度：物体在外力作用下抵抗变形的能力，单位N/m，表示单位长度 形变需要施加的外力
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弹性变形是以声速在介质中传播 金属介质中声速很大，钢中4982 m/s，普通摆 锤试验时绝对变形速度只有5-5.5m/s 冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，所 以应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量 没有影响 应变率对塑性变形、断裂及有关力学性能影 响较大
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冲击弯曲试验的主要用途有两点：
(1) 控制原材料的冶金质量和热加工后的产品 质量。
通过测量冲击吸收功和对样品进行断口分析，可揭示 原料中的夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超 级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或 热处理缺陷。
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静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分 布在各个晶粒中； 冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中 于某一局部区域，反映了塑性变形不均 匀。 这种不均匀限制了塑性变形的发展，导 致了屈服强度、抗拉强度的提高。
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(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得 Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变 温度。
据此可以评定材料的低温脆性倾向，供选材时参考或 用于脆断设计
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缺口冲击韧性试验机介绍
主要技术参数及指标：
1 摆锤预扬角：150° 2 摆轴中心至打击中心的距离： 750mm、800mm 3 冲击速度：5.2m/s、5.4m/s 4 最大冲击能量：300J/500J、 500J/250J 5 试样支座跨距：40mm 6 试样支座端圆弧半径：R11.5mm 7 冲击刀圆弧半径：R2-2.5mm 8 冲击刀两斜面夹角：30° 9 冲击刀厚度：16mm 10 主机外形尺寸： 2124mm×600mm×1340mm、 2300mm×600mm×1400mm 11 重量：480kg、580kg
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本章介绍金属材料在冲击载荷下的力学 行为特点，主要讨论缺口试样冲击弯曲 试验方法和金属材料的低温脆性。
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第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承 载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连 物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从 而影响加速度和惯性力的大小。 由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于 按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲 击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部 转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计 算。
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现代机器的应变率范围：10-6-106 s-1 静拉伸：10-5-10-2 s-1 冲击试验：102-104 s-1 10-4-10-2 s-1，金属力学性能变化不明显，按静 载荷处理 >10-2 s-1，金属力学性能发生显著变化，按冲 击载荷处理
JB-S300数显冲击试验机
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技术参数：
1 冲击能量：300J、 150J/500J、250J 2 摆锤预扬角：150º 3 冲击速度： 5.2m/s/5.4m/s 4 试样支座跨距： 40mm 5 钳口圆角：R11.5mm 6 冲击刀刃圆角：R22.5mm JB-300/500W微机控制冲击试验机 7 试样规格： 55×10×10mm
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(2) 高于某一温度时，材料 吸收的能量基本不变，出现 一个上平台，称为“高阶 能”。 以高阶能对应的温度定义tk， 记为FTP（Fracture Transition Plastic） 高于FTP下的断裂，断口 100%为纤维状，为零解理 断口 (3) 以低阶能和高阶能平均 值对应的温度定义tk，记为 FTE（Fracture Transition Elastic）
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二、韧脆转变温度
韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量 的能力，是强度和塑性的综合体现，在特定条件 下，能量、强度和塑性都可用来表示韧性 所以依靠断裂消耗的功和断裂后塑性变形的大小 可确定tk