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1、1第三章第三章材料在冲击载荷下的力学性能材料在冲击载荷下的力学性能前前面面我我们们讲讲述述的的是是材材料料在在常常温温、静静载载下下的的力力学学性性能能。工工程程中中，还还有有许许多多机机件件是是快快速速加加载载即即冲冲击击载载荷荷及及低低温温条条件件下下工工作作的的，如如：汽汽车车在在凸凸凹凹不不平平的的道道路路上上行行驶驶；飞飞机机的的起起飞飞和和降降落落；材材料料的的压压力力加加工工等等；其性能将与常温、静载的不同。其性能将与常温、静载的不同。冲冲击击载载荷荷与与静静载载的的主主要要差差异异：加加载载速速率率不不同同，加加加加载载载载速速速速率率率率是是指指载载荷荷施施加加于于试试样样或
2、或机机件件的的速速率率，用用单单位时间内应力增加的数值表示位时间内应力增加的数值表示。 2因因加加载载速速率率提提高高，形形变变速速率率也也随随之之增增加加，形形变变速速率率是是单单位位时时间间的的变变形形量量。因因此此，用用形形变变速速率率（又又分分绝绝对对变变形形速速率率和和相相对对变变形形速速率率）可可以以间间接接地地反反映映加加载载速速率的变化率的变化。相对变形速率又称应变率相对变形速率又称应变率。不不同同机机件件的的应应变变速速率率范范围围大大约约为为10-6106s-1。静静拉拉伸伸试试验验的的应应变变速速率率为为10-510-2s-1，冲冲击击试试验验的的应应变变速速率率为为10
3、2104s-1。试试验验表表明明，应应变变速速率率在在10-410-2s-1内内，金金属属的的力力学学性性能能没没有有明明显显变变化化，可可按按静静载载荷荷处处理理。当当应应变变速速率率大大于于1010-2-2s s-1-1时时，力力学学性性能能将将发发生生明显变化明显变化。3缺口缺口 冲击载荷冲击载荷 降低温度降低温度钢钢的的冷冷脆脆是是一一种种低低能能量量断断裂裂，一一般般为为解解理理断断裂裂，有有时时为为准准解解理理断断裂裂或或沿沿晶晶断断裂裂。冷冷脆脆的的断断裂裂功功极极低低，后后果果是是灾灾难难性性的的。（原原因因是是断断裂裂面面间间距距为为原原子子间间距距，力力的的作作用用距距离离
4、只只有有0.1nm数数量量级级，即即使使力力很很大大，断断裂所消耗的功裂所消耗的功W=F.S也相当低）。也相当低）。使使塑塑性性变变形形得得不不到到充充分分发发展展，更更灵灵敏敏地地反反映映材材料料的的变变脆脆倾倾向向。（脆断趋势）（脆断趋势）43-1 3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲冲击击载载荷荷下下，整整个个承承载载系系统统承承受受冲冲击击能能，所所以以机机件件、与与机机件件相相连连物物体体的的刚刚度度都都直直接接影影响响冲冲击击过过程程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。由由于于冲冲击击过过程程持持续续时时间间短
5、短，测测量量不不准准确确，难难于于按按惯惯性性力力计计算算机机件件内内的的应应力力，所所以以机机件件在在冲冲击击载载荷荷下下所所受受的的应应力力，通通常常假假定定冲冲击击能能全全部部转转换换为为机机件件内内的弹性能的弹性能，再按能量守恒法计算。，再按能量守恒法计算。51、应应变变率率对对金金属属材材料料的的弹弹性性行行为为及及弹弹性性模模量量没有影响没有影响。因因弹弹性性变变形形是是以以声声速速在在介介质质中中传传播播的的，声声速速在在金金属属介介质质中中相相当当大大，钢钢中中为为4982m/s，普普通通摆摆锤锤冲冲击击时时绝绝对对变变形形速速率率只只有有55.5m/s，冲冲击击弹弹性性变形总
6、能跟上冲击力的变化。变形总能跟上冲击力的变化。62、金金属属材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下塑塑性性变变形形难难于于充充分进行分进行，原因为，原因为：冲冲击击载载荷荷下下应应力力水水平平比比较较高高，滑滑移移临临界界切切应应力力增增大大，产产生生附附加加强强化化；使使许许多多位位错错源源同同时时起起作作用用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。冲冲击击载载荷荷增增加加了了位位错错密密度度和和滑滑移移系系数数目目，出出现现孪孪晶晶，减减小小了了位位错错运运动动自自由由行行程程平平均均长长度度，增增加加了点缺陷的浓度。了点缺陷的浓度。7静静载载荷荷作作
7、用用时时：塑塑性性变变形形比比较较均均匀匀的的分分布布在在各各个个晶粒中；晶粒中；冲冲击击载载荷荷作作用用时时：塑塑性性变变形形则则比比较较集集中中于于某某一一局局部区域，反映了塑性变形不均匀。部区域，反映了塑性变形不均匀。这这种种不不均均匀匀限限制制了了塑塑性性变变形形的的发发展展，导导致致了了屈屈服服强强度度、抗抗拉拉强强度度的的提提高高，且且屈屈服服强强度度提提高高的的较较为为明明显显，抗拉强度提高的较少。抗拉强度提高的较少。如图所示如图所示。3、材料塑性和应变速率之间无单值依存关系材料塑性和应变速率之间无单值依存关系。84 4、随随应应变变率率增增加加，塑塑性性、韧韧性性与与断断裂裂方
8、方式式有有关。关。如果在一定加载条件及温度下：如果在一定加载条件及温度下：材材料料产产生生正正断断，则则断断裂裂应应力力变变化化不不大大，随随应应变率的增加塑性减小；变率的增加塑性减小；如如果果材材料料产产生生切切断断，则则断断裂裂应应力力随随着着应应变变率率提提高高显显著著增增加加，塑塑性性的的变变化化不不一一定定，可可能能不不变变或或提提高。高。93-2 3-2 冲击弯曲和冲击韧性冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性一、冲击韧性是是指指材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下吸吸收收（弹弹性性变变形形功功）塑塑性性变变形形功功和和断断裂裂功功的的能能力力。常常用用标标准准试试样样的的冲冲击击吸收
9、功吸收功A AK K来表示。来表示。二、冲击试样二、冲击试样如图所示如图所示1、冲击弯曲试验试样的种类：、冲击弯曲试验试样的种类：夏比夏比v型缺口冲击试样（我国以前称夏氏试样）型缺口冲击试样（我国以前称夏氏试样）夏比夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）无无缺缺口口冲冲击击试试样样：适适用用于于脆脆性性材材料料（球球铁铁、工工具具钢、淬火钢等）钢、淬火钢等）缺口试样缺口试样102、冲击试样、冲击试样开缺口的目的开缺口的目的使使缺缺口口附附近近造造成成应应力力集集中中，保保证证在在缺缺口口处处破破断。断。缺缺口口的的深深度度和和尖尖锐锐程程度度对对冲冲击击
10、吸吸收收功功影影响响显显著著。缺缺口口越越深深、越越尖尖锐锐，Ak值值越越小小，材材料料表表现现的的脆性越大。脆性越大。所所以以，不不同同类类型型和和尺尺寸寸试试样样的的Ak值值不不能能相相互互换算和直接比较。换算和直接比较。11三、冲击弯曲试验原理三、冲击弯曲试验原理1、冲击试验的分类：按其服役工况有：、冲击试验的分类：按其服役工况有：图图简支梁下的冲击弯曲试验（夏比冲击试验）简支梁下的冲击弯曲试验（夏比冲击试验）悬臂梁下的冲击弯曲试验（艾氏冲击试验）悬臂梁下的冲击弯曲试验（艾氏冲击试验）GB/T41581984冲击拉伸试验冲击拉伸试验冲击扭转试验冲击扭转试验按按试试验验温温度度可可分分为为
11、高高温温、低低温温和和常常温温冲冲击击试试验验，按按试试样样的的缺缺口口类类型型可可分分为为V型型和和U型型两两种种冲冲击击试试验验。现现行行国国家家标标准准GB/T2292007金金属属材材料料夏夏比比摆摆锤锤冲冲击击试试验验方方法法将将以以上上所所涉涉及及的的试试验验方方法法统统一一合合并并在在一一个个标准内，更加便于执行。标准内，更加便于执行。 2 2、冲击弯曲试验、冲击弯曲试验：GB/T229-2007金金属属材材料料夏夏比比摆摆锤锤冲冲击击试试验验方方法法规规定定，如如图图所所示示。冲冲击击吸吸收收能能量量K（1994年年标标准准为冲击吸收功为冲击吸收功Ak）：）：KGH1-GH2=
12、G(H1-H2)mg(H1-H2)对对采采用用u型型缺缺口口和和v型型缺缺口口的的试试样样，其其冲冲击击吸吸收收功功分别用分别用Aku和和Akv来表示。试验前需对来表示。试验前需对试验机试验机进行校核。进行校核。旧标准使用旧标准使用ak（冲击韧性）作为性能指标。（冲击韧性）作为性能指标。(J/cm2)13新标准新标准冲击吸收能量冲击吸收能量K K的表示方法的表示方法：为为了了表表示示不不同同类类型型冲冲击击试试样样的的试试验验结结果果，两两种种类类型型试试样样在在两两种种摆摆锤锤刀刀刃刃下下的的吸吸收收能能量量用用如如下下符号表示，以示区别：符号表示，以示区别：V型型缺缺口口试试样样在在2mm
13、摆摆锤锤刀刀刃刃下下的的冲冲击击吸吸收收能量，表示为能量，表示为KV2；V型型缺缺口口试试样样在在8mm摆摆锤锤刀刀刃刃下下的的冲冲击击吸吸收收能量，表示为能量，表示为KV8；U型型缺缺口口试试样样在在2mm摆摆锤锤刀刀刃刃下下的的冲冲击击吸吸收收能量，表示为能量，表示为KU2；U型型缺缺口口试试样样在在8mm摆摆锤锤刀刀刃刃下下的的冲冲击击吸吸收收能量，表示为能量，表示为KU8。14四、冲击值的意义和讨论四、冲击值的意义和讨论1、a ak k值没有明确的物理意义值没有明确的物理意义其其一一：冲冲断断试试样样时时所所消消耗耗的的能能量量并并非非沿沿试试样样截截面面均均匀匀分分布布，而而是是主主
14、要要被被缺缺口口附附近近的的体体积积吸吸收收，缺缺口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。口附近与缺口远处吸收的能量在数值上相差极大。其其二二：吸吸收收能能量量是是体体积积的的而而不不是是面面积积，所所以以用用单单位位面面积积吸吸收收的的能能量量ak来来表表示示材材料料冲冲击击条条件件下下的的韧韧性，其物理意义不够明确。性，其物理意义不够明确。152、A Ak k或或K K值相同的材料，其韧性不一定相同值相同的材料，其韧性不一定相同因因为为，试试样样所所吸吸收收的的冲冲击击能能量量包包括括了了三三部部分分，即即弹弹性性变变形形功功、塑塑性性变变形形功功和和裂裂纹纹扩扩展展功功。对对不不同同
15、的的材材料料，冲冲击击吸吸收收功功数数值值可可能能相相同同，但但这这三三部部分分各各占占的的比比例例确确不不一一定定相相同同。而而真真正正能能显显示示材材料料韧韧性性好好坏坏的的是是后后两两部部分分，尤尤其其是是裂裂纹纹扩扩展展功功的的大大小。小。16 3 3、冲冲击击吸吸收收能能量量K K（冲冲击击吸吸收收功功A AK K）并并非非完完全用于试样变形和破断。全用于试样变形和破断。冲冲击击试试验验时时，摆摆锤锤所所消消耗耗的的总总功功k一一部部分分用用于于试试样样的的变变形形和和破破断断。另另一一部部分分消消耗耗于于试试样样的的掷掷出出、机机身身振振动动、克克服服空空气气阻阻力力以以及及轴轴承
16、承和和测测量量机机构构中中的的摩摩擦擦消消耗耗，在在摆摆锤锤试试验验时时这这部部分分功功是是忽忽略略不不计计的的。当当摆摆锤锤轴轴线线与与缺缺口口中中心心线线不不一一致致时时，上上述述功功耗耗比比较较大大，所所以以不不同同试试验验机机和和不不同同人人员员操操作作的的k值相差值相差1030。17五、冲击试验的应用五、冲击试验的应用尽尽管管用用ak、Ak或或K作作为为一一个个力力学学性性能能指指标标来来表表示示冲冲击击韧韧性性存存在在着着各各种种不不足足之之处处，但但其其值值的的大大小小对对材材料料的的组组织织十十分分敏敏感感，能能敏敏感感地地反反映映出出材材料料品品质质、宏宏观观缺缺陷陷和和显显微微组组织织的的微微小小变变化化。同同时时，在在生生产产上上的的长长期期应应用用，已已经经积积累累了了大大量量有有价价值值的的资资料料和和数数据据。常常用用来来检检验验冶冶金金、热热加加工工质质量量。现现在在还广泛应用在以下几个方面：还广泛应用在以下几个方面：181、评评定定原原材材料料的的冶冶金金缺缺陷陷和和热热加加工工后后的的质质量量（如图所示如图所示）检检验验冶冶金金缺缺陷陷：夹夹渣渣、气气
