1,第三章 金属在冲击载荷下的力学性能,引言 3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 3.2 冲击弯曲和冲击韧性 3.3 低温脆性及韧脆转变温度 3.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素,2,引言 冲击载荷与静载荷的主要在于加载速率不同； 加载速率佷高，而后者加载速率低 加载速率用应力增长率=d/dt表示，单位为MPas 形变速率有两种表示方法：即绝对形变速率和相对形变速率 绝对变形速率为单位时间内试件长度的增长率V=dl/dt， 单位为ms 相对变形速率即应变速率， =de/d e为真应变，单位为s-13,,应变率 静拉伸试验 =10-510-2 s-1 冲击试验 =102104 s-1 一般情况下 =10-410-2 s-1，可按静载荷处理；当大于10-2 S-1,金属的力学性能将发生显著的变化，不能按照静载荷来处理4,3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点,一、冲击失效的特点（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂2）吸收的冲击能测不准 时间短；机件及与机件联接物体的刚度 机件在冲击载荷下的应力，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55.5m/s5,,二、影响冲击性能的微观因素 （1）在冲击载荷的作用下，在位错上产生相当高的应力， 位错的运动速率，派纳力增大， 滑移临界切应力， 金属产生附加强化， 这就是应变速率硬化6,（2）同时开动的位错源增加，增加位错密度和滑移系数目，点缺陷浓度增加等等，使塑性变形难以进行， 屈服强度提高得较多 （3）显微观察表明，内部的塑性变形不均匀静载荷：塑性变形分布于各个晶粒中；冲击载荷：局部区域）,7,8,3.2 冲击弯曲和冲击韧性,一、冲击韧性及其作用 1、冲击韧性：材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的能力Ak ,单位，J； 2、作用（1）揭示冶金缺陷的影响；（揭示原材料中的夹渣，气泡，严重分层和偏析）（2）对s大致相同的材料，评定缺口敏感性3）评定低温脆性倾向根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得到Ak与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度9,,二、冲击试验 冲击实验机,10,,摆锤5、10、15、30kg，试样尺551010mm，无缺口，有缺口（U；V）记为Aku, AKV。
注：冲击韧度：KU 表示Aku 除以冲击试样缺口底部截面积所得的值Ak=mgH1-mgH2,11,,12,13,注意问题： Ak值并不能真正反映材料的韧脆程度，由于一部分功消耗于试样掷出，机身振动，空气阻力等等尤其是摆锤的轴线与缺口中心线不一致的时 Ak值不同：缺口的形状，尺寸，试验机不同，标准试样，它们之间不能进行换算，也没有可比性所以，注意冲击弯曲试验条件14,第三节 低温脆性,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，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型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性 注意：面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象高强度的体心立方合金（高强度钢和超高强度钢）在很宽的温度范围内，冲击吸收功均较低，韧脆转变不明显15,原因一： 纯金属单晶体的屈服强度是 由位错运动所受各种阻力决 定的在bcc金属中，派纳力 值比fcc金属值高很多，它在 屈服强度中占有较大的比例， 而派纳力属于短程力，对温度 十分敏感bcc金属的屈服强 度具有强烈的温度效应可能是 由派纳力起主要作用导致的。
16,,原因二： 迟屈服现象：对低碳钢施加一高速载荷高于s时，材料并不立即产生屈服，而需要一定孕育期（迟屈服时间）才开始塑性变形在孕育期内只发生弹性变形，由于没有塑性变形消耗能量，有利于裂纹的扩展，从而易表现为脆性破坏 原因三： 柯氏气团：使位错运动受阻,17,高于tk，cs 材料先屈服再断裂 ，为韧性断裂 c< s 材料表现为脆性断裂低温脆性的物理本质：材料屈服强度随温度降低急剧 增加,18,试验目的,为了评价金属材料在低温条件下可能出现脆性的程度，采用低温系列冲击试验的方法进行测试和评估 通过这种评价方法，可以回答两个在选用材料时所关心的问题： （1）材料到底可能变得有多脆？ （2）材料的韧脆转变温度是多少？,19,试验难点1：材料到底可能变得有多脆？,三管齐下，使材料处于最脆的状态： A. 开切口，改变应力状态，降低应力状态软性系数 B. 提高加载速率，使位错来不及充分运动，塑性变形受阻 C. 降低温度，使体心立方金属的柯氏气团钉扎位错更稳固，位错运动进一步受阻20,试验难点2：材料韧脆转变温度是多少？,在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧-脆转变温度 韧-脆转变温度实际上不是一个温度而是一个温度区间。
韧性储备的大小取决于机件的重要程度21,韧脆转化温度的确定原理,按照能量法定义t k的方法,22,按照断口形貌定义t k的方法,23,注意问题：,（1）由于方法不同，t k值是不一样的 （2）同一材料，同一方法，外界因素不同(试样尺寸，加载速率等），t k值也不同 因此，并不能说明制成的机件一定在该温度下脆断 但是，可以根据t k值直接或间接的估计它们的最低使用温度24,,韧性温度储备： =t0-tk t0为材料使用温度 两者之间的比值越大，越安全 值一般取40-60 oC ,对于受冲击载荷作用的重要机件， 取60 oC，不受冲击载荷作用的非重要机件， 取20 oC；中间值取40 oC,25,分析与讨论,（1）为什么通常采用切口冲击韧性测定法评定结构钢的低温脆性？ （2）为什么温度下降会导致金属产生脆性？,26,影响韧脆转变温度的冶金元素,（1）晶体结构 （2）化学成份,27,a. 间隙溶质元素：偏聚于位错 附近，阻碍位错运动，导致屈服 强度提高 b. 置换型溶质元素，也能提高 韧脆转变温度，但是Ni和Mn 除外，Ni能减小低温位错运动 的摩擦阻力，还增加层错能， 提高低温韧性 c. 杂质元素：S, P, As, Sn, Sb, 降低 钢的韧性。
这是由于杂质元素偏聚 于晶界，降低晶界的表面能，产生 沿晶脆性断裂。