大连理工大学精品课程-材料力学性能-第三章-冲击韧性

T—短程力，作为范围在1nm，对温度变化敏感。
T
AeT
Tk
1
ln d 2
二战中发生脆性破坏的船只都
d1>d2
是美国生产的钢板建造的，而英国生
产的钢板建造的船只却未发生脆性破 坏。原因是美国采用的是新式高速轧 钢设备，生产效率高，轧速快。但使 终轧温度升高，导致晶粒长大，韧脆
11 转变温度提高，脆性断裂几率增加。
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图3-12 韧脆转变温度和铁素体 晶粒直径的关系
2020年7月29日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期三
当材料晶粒尺寸减小时，解理断裂应力c和屈服强度s都提高，同
时使韧脆转变温度降低，如图3-13所示。
1
Hall-Petch公式：s i kyd 2
其中i=ST+T。ST—长程力，作用范围在10~100nm，对温度变化不敏感；
合金因素含量%
图3-10 合金元素对钢韧脆转变温度的影响
杂质元素如S、P等偏 聚于晶界，降低晶界表面 能，使钢韧性下降。
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按能量准则，C含量每增加0.1％，韧脆转变温度升高13.9 ℃。 Mn含量每增加0.1％，韧脆转变温度降低5.6 ℃。但合金元素对钢性 能的影响不是孤立的，对脆断的船体钢的分析表明，钢中Mn/C的比 值对韧脆转变温度有重要影响，只有Mn/C≥３时，船体钢才有比较满 意的韧脆转变温度。因此对脆断事故进行失效分析时，对材质的分析 和评价，首先要看成分是否超标，不超标时还要考虑合金配比是否合 适。例如10＃钢含C量在0.07%~0.15%，含Mn量为0.35%~0.65%，如 果C含量在上限，Mn含量在下限，则Mn/C＝2.3，按牌号虽然合格， 但韧脆转变温度却不合格。这种成分在规范内，但因配比不合格而导 致使用性能和工艺性能达不到要求的事例是很多的。
图3-9 含碳量对韧脆转变温度的影响
气团，使s提高，如图
3-9所示。 6
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置换型溶质元素一
般也降低高阶能，提高
韧脆转变温度，但Ni和
Mn例外，因为它们增加
了材料层错能，促进交 滑移，使裂纹扩展消耗 功增加，使韧性增加。 如图3-10所示。 7
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晶体结构：fcc金 属及其合金一般不
存在低温脆性，bcc 金属及其合金存在
明显的低温脆性。
图3-11所示为不同 材料的冷脆倾向。
9
图2-11 不同材料的冷脆倾向
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ห้องสมุดไป่ตู้
显微组织：细化晶粒使钢的 韧性增加。主要原因是：晶 界是裂纹扩展的阻力；晶界 前塞积的位错数减少，有利 于降低应力集中；晶面总面 积增加，使晶界上杂质浓度 减少。
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冲击功AK
温度：结构钢在某
冷脆
蓝脆
重结晶脆性
些温度范围内，冲
击功急剧下降，如
图 3-15所示。
O
温度℃
图3-15 钢的常见脆性温度范围
冷脆：是结构钢在船舶、压力容器、桥梁等大型结
构应用中的关键问题之一，P元素偏聚是造成钢材冷脆的
14 原因之一。
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2020年7月29日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期三 第五节 影响冲击韧性的因素
内部因素
化学成分 晶体结构 显微组织 金相组织
外部因素 5
温度 加载速率 试样尺寸和形状
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化学成分：间隙溶质元 素含量增加，高阶能下 降，韧脆转温度提高， 脆性增大，因为它们与 位错有交互作用而偏聚 于位错线附近形成柯氏
Td
c(d2) s(d2) c(d1) s(d1)
Td2 Td1
T
图3-13 晶粒大小对c和s的影响
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金相组织：对于钢而
言，各种组织按韧脆
转变温度由高到低的
顺序为：
珠光体/上贝氏体/铁素体/ 下贝氏体/回火马氏体
图3-14 马氏体板条束宽度与 韧脆转变温度的关系
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试样形状和尺寸：当不改变试样缺口尺寸 而增加宽度或厚度时Tk升高；若试样各部 分尺寸按比例增加时，Tk也升高；缺口尖 锐度增加时， Tk显著升高。主要原因可能 是尺寸增加会使应力状态变硬，且缺陷几 率增加，故脆性增大。
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冲击功AK
重结晶脆性： 在A1~A3温度区
间，钢中为、
冷脆
蓝脆
重结晶脆性
两相混和组织，
O
冲击值较低，这
525~550℃ A1 温度℃
图3-15 钢的常见脆性温度范围
种脆性称为重结
晶脆性。
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加载速率：提高加载速率如
5m/s
75m/s
弯曲角
同降低温度，将使材料的脆 50m/s
性增大，韧脆转变温度提高。
图3-16为加载速率对15＃钢塑 性和韧脆转变温度的影响。
温度
图3-16 冲击速率对15＃钢塑性及韧 脆转变温度的影响
加载速率对钢脆性的影响与钢的强度水平有关。一般而言，中、 低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢、超高强度 钢的韧脆转变温度对加载速率的敏感性较小。
不仅如此，马氏体板条束的宽度对韧
12 脆转变温度也有较大影响，如图3-14所示。
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钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对 钢的脆性有重要影响，影响程度与第二相 质点的大小、形状、分布、第二相的性质 及与基体结合力有关。无论其是分布在晶 界还是基体，当其尺寸增大时均使材料韧 性下降，韧脆转变温度升高。
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重锤
目前，NDT已成为低强 度钢构件防止脆性断裂设计 根据的一部分，如：
挠度终止块
脆性焊肉
试样 支承块 毡座
图3-8 落锤试验示意图
1、NDT设计标准：保证承载时钢的NDT低于工作温度，此时在高应力区 的小裂纹处不会造成脆性断裂。 2、NDT＋33℃设计标准：对结构钢而言，FTE＝NDT＋33℃，适用于原 子能反应堆压力容器标准。 3、NDT＋67℃设计标准：适用于全塑性断裂。在塑性超载条件下，仍能 保证最大程度的抗断能力，也适用于原子能反应堆压力容器标准。
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毡座上除了两端的支承块外，中心部分还有一挠度终止 块，以限制试样产生过大的塑性变形。落锤的能量、支承块 的跨距和挠度终止块的厚度应根据材料的屈服强度及板厚选 择。试样一面堆焊一层脆性合金用于诱发裂纹，中间留一缺 口。试样冷却到一定温度后放在毡座上，然后落下重锤。随 试样温度下降，其力学行为将发生如下变化：不裂拉伸侧 表面部分形成裂纹，但未发展到边缘拉伸侧表面裂纹发展 到一侧边或两侧边试样断裂。一般取拉伸表面裂纹发展到 一侧边或两侧边的最高温度为NDT。
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冲击功AK
蓝脆：碳钢和某些合金钢 在一定温度范围内出现脆 性，由于在该温度范围内 钢表面被氧化呈蓝色，故 称蓝脆。蓝脆是由于C、 N原子形成柯氏气团对位 错的钉扎作用造成的。
冷脆
蓝脆
重结晶脆性
O
525~550℃
温度℃
图3-15 钢的常见脆性温度范围
材料力学性能
Mechanical properties of materials
第三章：冲击韧性
材料科学与工程学院
2020年7月29日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期三 第四节 落锤试验 普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实 际构件中的应力状态，而且结果分散性大，无法 满足特殊的要求。20世纪50年代初，美国海军研 究所提出了落锤试验方法用于测定厚钢板的NDT。 落锤试验机由垂直导轨、能自由落下的重锤和毡 座等组成。重锤是一个半径为25mm的钢制圆柱， 硬度大于50HRC，可升到不同高度，能量在340～ 2 1650J之间。
静载荷与冲击载荷下都可以看到钢的蓝脆现象，但二者的温度
范围不同：静载荷下为237℃～370℃；冲击载荷下为525℃～550℃。
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2020年7月29日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期三 蓝脆是形变时效加速进行的结果。当温度 升高到某一适当的范围内时，碳、氮原子扩散 速率增加，易于在位错附近偏聚形成柯氏气团， 阻碍位错的运动。这个过程所需的时间较塑性 变形发展所需的时间短，因而在塑性变形过程 中就产生了时效，使材料强度提高，塑性下降。 在冲击载荷下，形变速率较高，碳、氮原子必 须在较高温度下才能获得足够的激活能以形成 16 气团，故蓝脆温度较高。