材料力学性能-6-材料的抗冲击性能

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1、6 6、材料的抗冲击性能、材料的抗冲击性能 许多机器零件在实际工作中要受到冲击 载荷的作用，如冲床、锻锤等，冲击载荷属 于动态载荷，而且，温度降低和加载速度提 高都会增加材料的脆断倾向。 本章主要讨论冲击载荷作用下材料的性 能评定和冷脆倾向及其影响因素。 6.2 冲击试验和冲击韧性冲击试验和冲击韧性 缺口缺口、低温低温和和高应变率高应变率是影响材料是影响材料 脆化的三个因素脆化的三个因素，可使材料由原来的韧可使材料由原来的韧 性断裂状态变为脆性断裂状态性断裂状态变为脆性断裂状态。在影响在影响 材料脆化的这三个因素中材料脆化的这三个因素中，缺口缺口所造成所造成 的脆化是最重要的的脆化是最重要的。

2、 对于韧性好的材料对于韧性好的材料，即使温度降至很低即使温度降至很低，也难也难 以产生脆性断裂以产生脆性断裂，且冲击造成高应变率产生的脆化且冲击造成高应变率产生的脆化 作用也很有限作用也很有限。故冲击试验采用缺口试样故冲击试验采用缺口试样。 冲击弯曲试验标准试样是冲击弯曲试验标准试样是U型型或或V型型缺口缺口，分别称分别称 为为夏比夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比型缺口试样和夏比V型缺口试样型缺口试样。 冲击试验原理冲击试验原理 缺口试样冲击弯曲试验原理 试验在摆锤式冲击试验机上进试验在摆锤式冲击试验机上进 行行。将试样水平放在试验机支将试样水平放在试验机支 座上座上，缺口位于冲击相背方

3、向缺口位于冲击相背方向。 试验时试验时，将具有一定质量的摆将具有一定质量的摆 锤抬起至一定高度锤抬起至一定高度H1，使其使其 获得一定的势能获得一定的势能，然后将摆锤然后将摆锤 放下放下，在摆锤下落至最低位置在摆锤下落至最低位置 处将试样冲断处将试样冲断，之后之后 摆锤升摆锤升 值高度值高度H2。摆锤在冲断试样摆锤在冲断试样 时所做的功称为冲击吸收功：时所做的功称为冲击吸收功： )( 21 HHGAK= 同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不可比的。同一材料用不同缺口试样测得的吸收功是不同的，且不存在换算关系，是不可比的。 冲击韧性冲击韧性 k ： 冲击吸收功冲击吸

4、收功 Ak除以缺口底部净横截面积除以缺口底部净横截面积 SN： / KKN AS= 2 /J cm k的单位为的单位为 注：注：Ak的单位为的单位为NM(J)。 冲击吸收功的意义冲击吸收功的意义 冲击实验中冲击实验中，冲断试样所吸收的冲击吸收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是冲击截面附近材料累积消耗的断裂总 功功。（忽略试样掷出忽略试样掷出、机身振动机身振动、空气阻力等空气阻力等） 由冲断过程中所耗的功由三部分组成：由冲断过程中所耗的功由三部分组成： 弹性功弹性功、塑性功塑性功、撕裂功撕裂功（裂纹扩展功裂纹扩展功） 对不同材料对不同材料，其冲击吸收功可以相同其冲

5、击吸收功可以相同，但它们但它们 的弹性功的弹性功、塑性功和撕裂功却可能差异很大塑性功和撕裂功却可能差异很大。 显然显然，冲击吸收功的大小难以真实反映材料的韧冲击吸收功的大小难以真实反映材料的韧 性性质性性质。 若弹性功所占比例很大若弹性功所占比例很大，塑性功比例很小塑性功比例很小， 撕裂功几乎为零撕裂功几乎为零，则表明材料断裂前塑性则表明材料断裂前塑性 变形小变形小，裂纹一旦形成便立即扩展直至断裂纹一旦形成便立即扩展直至断 裂裂，断口必然呈断口必然呈放射状放射状甚至甚至结晶状结晶状的的脆性脆性 断口断口。 若塑性功占比例很大若塑性功占比例很大，裂纹扩展的撕裂功裂纹扩展的撕裂功 也大也大，则断口

6、则是以呈则断口则是以呈纤维状纤维状为主的为主的韧性韧性 断口断口。 因此因此，Ak值的大小并不能直接反映材料的值的大小并不能直接反映材料的 韧或脆的性质韧或脆的性质，只有其中的只有其中的塑性功塑性功，特别特别 是是撕裂功撕裂功的大小才显示材料的的大小才显示材料的韧性本质韧性本质。 冲击实验的应用冲击实验的应用 冲击试验采用了缺口试样，在缺口根部由于三向应力的冲击试验采用了缺口试样，在缺口根部由于三向应力的 形成，使所处的应力状态变“硬”，加之冲击加载在缺形成，使所处的应力状态变“硬”，加之冲击加载在缺 口根部形成很高的应变速率，这些作用提高了材料的脆口根部形成很高的应变速率，这些作用提高了材料

7、的脆 化倾向，而且这种脆化倾向主要是缺口所致（因为冲击化倾向，而且这种脆化倾向主要是缺口所致（因为冲击 加载使缺口周围区域产生塑性变形，而松弛应力集中的加载使缺口周围区域产生塑性变形，而松弛应力集中的 过程来不及进行）。所以，从这个意义上说，过程来不及进行）。所以，从这个意义上说，冲击吸收冲击吸收 功主要是反映材料的缺口敏感性。功主要是反映材料的缺口敏感性。 冲击吸收功和冲击韧性值对金属材料的组织结构、冶金冲击吸收功和冲击韧性值对金属材料的组织结构、冶金 缺陷比较敏感，可检验、控制材料的冶金质量及热加工缺陷比较敏感，可检验、控制材料的冶金质量及热加工 质量。质量。 冲击实验可评定材料从低温到高

8、温出现的各种脆化现象，冲击实验可评定材料从低温到高温出现的各种脆化现象， 例如冷脆、蓝脆、重结晶脆性等。例如冷脆、蓝脆、重结晶脆性等。 脆化现象脆化现象 蓝脆蓝脆 指钢加热到指钢加热到500左右出现冲击值下降的现象左右出现冲击值下降的现象。 此时断裂面表面氧化呈蓝色此时断裂面表面氧化呈蓝色。 蓝脆蓝脆现象是一种在塑性变形过程中发生的应变时现象是一种在塑性变形过程中发生的应变时 效过程效过程，可以称为动态应变时效可以称为动态应变时效。 主要机制与主要机制与位错被钉扎位错被钉扎有关有关。当位错运动与其它当位错运动与其它 位错交割或因遇到内应力峰而受阻从而暂时停滞位错交割或因遇到内应力峰而受阻从而暂

9、时停滞 时时，在一定温度下溶质原子可借热激活而扩散并在一定温度下溶质原子可借热激活而扩散并 重新在位错周围聚集形成重新在位错周围聚集形成气团气团，钉扎位错使之运钉扎位错使之运 动受到更大的阻力动受到更大的阻力，相应地提高变形抗力相应地提高变形抗力，并使并使 塑性下降而呈现出脆性塑性下降而呈现出脆性。 重结晶脆性是在A1 A3温度区间，钢 中为+二相混合组织，冲击值降低 的现象。 6.3 低温脆性和冷脆转变温度低温脆性和冷脆转变温度 材料因温度的降材料因温度的降 低导致冲击韧性的急低导致冲击韧性的急 剧下降并引起脆性破剧下降并引起脆性破 坏的现象坏的现象称为低温脆称为低温脆 性性（冷脆冷脆）。

10、不同材料在冷脆不同材料在冷脆 温度区间的冲击值与温度区间的冲击值与 温度的关系大致有三温度的关系大致有三 种类型：种类型： 一、低温脆性现象（冷脆转变）一、低温脆性现象（冷脆转变） 不同材料的冷脆倾向不同材料的冷脆倾向 对中对中、低强度的面心立方金属材料低强度的面心立方金属材料，其冲击值其冲击值 在很宽的工程应用温度范围内都很高在很宽的工程应用温度范围内都很高，可以不可以不 考虑低温脆性和冷脆转变问题；考虑低温脆性和冷脆转变问题； 对于高强度材料对于高强度材料，如高强钢如高强钢、钛合金等钛合金等，在缺在缺 口存在的所有温度下口存在的所有温度下，通常都是脆性断裂通常都是脆性断裂，冲冲 击值都很低

11、击值都很低，因此冷脆现象也不明显；因此冷脆现象也不明显； 对工程上应用很广的低对工程上应用很广的低、中强钢材料中强钢材料，则则在低在低 温时可表现为解理断裂温时可表现为解理断裂，而而在高温时呈现韧性在高温时呈现韧性 断裂断裂，即在某一温度范围内即在某一温度范围内，冲击值对温度十冲击值对温度十 分敏感分敏感，因此对这类材料制造低温服役的结构因此对这类材料制造低温服役的结构 件时件时，必须考虑冷脆转变温度的影响必须考虑冷脆转变温度的影响。 冷脆现象与材料屈服应力冷脆现象与材料屈服应力 s和裂纹失稳扩展临界和裂纹失稳扩展临界 应力应力 c（解理断裂强度）（解理断裂强度）随温度的变化有关。随温度的变化

12、有关。 s随温度升高而明显下降随温度升高而明显下降， 而而 c则对温度较不敏感则对温度较不敏感。因因 而而，在某温度在某温度Tk时二种应力时二种应力 相等相等。 当当TTk时时， c s，材料先发材料先发 生屈服和形变硬化生屈服和形变硬化，使应力使应力 上升达到上升达到 c时呈韧性断裂；时呈韧性断裂； 当当T FTP ，则脆性断裂的几率趋于零则脆性断裂的几率趋于零，材料呈材料呈 现为完全韧断状态；现为完全韧断状态； Ak值进入下平台的温度值进入下平台的温度T2100%解理断口解理断口，此温此温 度 称 为度 称 为 无 塑 性 温 度无 塑 性 温 度 NDT （ NilDuctility T

13、emperature）。 T NDT ，则材料处于完全脆断状态则材料处于完全脆断状态。 断口形貌转变温度断口形貌转变温度50% FATT： 定义对应于定义对应于50%（断面占比）解（断面占比）解 理断口的特征温度，称为断口形理断口的特征温度，称为断口形 貌转变温度，即貌转变温度，即50% FATT。 （Fracture Appearance Transition Temperature） 冷脆转变的断口（冲击断口）冷脆转变的断口（冲击断口） 缺口冲击试样的断口也分为三个区：缺口冲击试样的断口也分为三个区： 纤维区纤维区、放射区放射区和和剪切唇区。剪切唇区。 各区的相对比例及分布各区的相对比例及

14、分布 视材料的塑性而定视材料的塑性而定。通通 常裂纹源位于缺口根部常裂纹源位于缺口根部 （受拉应力受拉应力）的中段稍的中段稍 离表面处离表面处。在受压应力在受压应力 区区，裂纹扩展速率减小裂纹扩展速率减小 而出现二次纤维区而出现二次纤维区。 塑性较好塑性较好的材料的材料，裂纹沿二侧向深度方向稳定裂纹沿二侧向深度方向稳定 扩展扩展，中央部分较深中央部分较深，构成中部突进式的纤维构成中部突进式的纤维 状区域状区域，然后失稳扩展而形成放射区然后失稳扩展而形成放射区。由于试由于试 样的无缺口侧受压应力样的无缺口侧受压应力，应力状态变软应力状态变软，因而因而 可在此侧出现二次纤维区可在此侧出现二次纤维区

15、。 塑性很好塑性很好的材料的材料，则放射区可完全消失则放射区可完全消失，整个整个 断面上只存在纤维区和二侧及底部最后形成的断面上只存在纤维区和二侧及底部最后形成的 剪切唇；剪切唇； 若若材料塑性很差材料塑性很差，则受压侧塑性变形区很小则受压侧塑性变形区很小， 二次纤维区会消失二次纤维区会消失，直至观察不到剪切唇直至观察不到剪切唇，这这 时断口几乎全部为放射区时断口几乎全部为放射区。 放射区表征脆性断裂；放射区表征脆性断裂； 纤维区及剪切唇区表征韧性断裂；纤维区及剪切唇区表征韧性断裂； 在在典型的冷脆转变条件典型的冷脆转变条件下，几乎可以观察下，几乎可以观察 到由到由100%的纤维的纤维+剪切唇区断口向剪切唇区断口向100%的的 放射区断口的过渡。放射区断口的过渡。 评定脆性转变温度评定脆性转变温度TK时应注意：时应注意： 不同材料对比冷脆性时不同材料对比冷脆性时，应采用相同定义应采用相同定义 的的TK值；值； 用缺口弯曲试样测定的用缺口弯曲试样测定的TK值与实际零件的值与实际零件的 TK值可能会因尺寸值可能会因尺寸、形状等因素的影响形状等因素的影响， 有较大差异有较大差异。 因此因此，由缺口试样测定的由缺口试样测定的TK只能作为工程只能作为工程 应用中的一种定性判断应用中的一种定性判断，对于重要构件应对于重要构件应 用更接近实际工况