金属力学性能-3-冲击载荷.ppt

第三章 金属在冲击载荷下的力学性能1 1冲击载荷与静载荷的区别：【加载速率】不同↓载荷施加于试样或零件时的速率，用单位 时间内应力增加的数值表示加载速率提高，应变速率也随之提高，因 此可用应变速率来间接反映加载速率的变化2 2应变速率大致范围：静 拉 伸：10-5 -10-2 s-1冲击试验：102 -104 s-1实践证明：1） 应变速率在 10-4 -10-2 s-1内力学性能 没有明显变化，可按静载处理2） 应变速率大于 10-2 s-1时，金属力学 性能会发生显著变化3 3应变速率增大：金属变脆倾向加大↓冲击试验可以揭示金属材料冲击时的脆断趋势4 43.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下，材料的失效形式同样表现为 ：过量弹性变形、过量塑性变形、断裂一、冲击载荷的特点1） 加载速率高应变速率：102-104/s2） 载荷具有能量特性使整个承载系统 承受冲击能，系统的刚度直接影响到冲击持续 时间，从而影响加速度和惯性力的大小5 5由于冲击时间短，难以测准，难以靠惯性 力计算构件应力怎么办？↓假设冲击能全部转化为构件的弹性能，再按能量守恒法计算6 6二、冲击载荷作用下变形和断裂的特点1） 弹性行为及弹性模量不受影响：弹性 变形以声速传播，金属中声速很大（例如：钢中弹性变形速度4982 m/s）；2） 对塑性变形、断裂及有关的力学性能 影响显著；3） 滑移临界切应力增大，金属产生附加 强化。

7 74） 塑性变形难以充分进行，变形不均匀 且容易集中到某些局部区域，导致屈服强度、 抗拉强度提高，且屈服强度提高得多，抗拉强 度提高得少；5） 对断裂的影响正断: 断裂应力变化不大，塑性随应变速 率增加而减小；切断: 断裂应力随应变速率增加而增加， 塑性可能不变或提高8 83.2 冲击弯曲试验和冲击韧性为了显示加载速率和缺口效应对材料韧性 的影响，需采用缺口试样进行冲击弯曲试验一、冲击弯曲试验 1、 标准试样夏比（Charpy）U型缺口试样夏比（Charpy）V型缺口试样9 9101011111212注意：对于球铁、工具钢等脆性材料，则 通常采用 10*10*55mm 的无缺口冲击试样13132、 试验原理及试验过程1414试验设备：摆锤式冲击试验机试验原理：通过摆锤将冲击载荷(能量)施 加到试样上，使其变形且断裂，测定试样变形和断裂消耗的功即可1515试验过程：1） 将试样水平放在试验机支座上，试样 缺口位于冲击相背方向；2） 将重量为 G的摆锤举至一定高度 H1；3） 释放摆锤，测定摆锤将试样冲断后上 升的高度H2；4） 计算摆锤失去的位能 G(H1-H2)，此即 为试样的冲击吸收功，记为AK，单位为J。

1616二、冲击韧性、冲击韧度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，用标准试样的冲击吸收功表示，即前页的AK=G(H1-H2)↓对于夏比U型、V型缺口试样，冲击吸收功 分别记为：AKU和AKV1717冲击韧度指冲击试样单位面积上吸收的冲 击功，记为：aK=AK/S，其中S 为试样缺口处的 净断面面积1818三、冲击弯曲试验的用途1） 反映原材料的冶金质量和热加工后的 产品质量；2） 根据不同温度下的系列冲击试验，可得材料AK与温度的关系曲线，从而测定材料的 韧脆转变温度，设计时要求零件的服役温度高 于材料的韧脆转变温度；3） 对于屈服强度大致相同的材料，根据 AK可评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性 1919四、注意1） 冲击吸收功AK的大小并不能完美反映 材料的韧脆程度，因为缺口试样冲击吸收的功 并非完全用于试样变形和断裂；2） AK波动较大，不同试验机上测得的值 可能彼此相差10-30%；3） AK包括变形功和断裂功，AK 值相同的 材料其断裂功并不一定相同，即其韧脆程度不 一定相同2020那为什么还要用这个试验呢？o 冲击弯曲试验方法简单，操作方便；o 冲击吸收功对材料内部组织变化十分敏 感。

21213.3 低温脆性 一、低温脆性现象指试验温度低于某一温度（tk）时，材料 由韧性状态转为脆性状态几种表现：1） 冲击吸收功明显下降2） 断裂机理由微孔聚集型变为解理断裂3） 断口特征由纤维状变为结晶状转变温度tk称为韧脆转变温度，也称为冷 脆转变温度 2222低温脆性对压力容器、桥梁、船舶结构以 及在低温下服役的零件是非常重要的2323二、韧脆转变温度 tk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表现，在特定条件下能量、强度、和塑性都可用来表示 韧性2424通常可根据能量、塑性变形或断口形貌随 温度的变化定义韧脆转变温度tk↓因此，需要在不同温度下进行冲击弯曲试验，得到AK、断口形貌、塑性变形量随温度的 变化曲线，再根据曲线求韧脆转变温度252526262727按能量法定义tk的方法有如下几种：1） 当低于某个温度，材料吸收的冲击功 基本不随温度的变化而变化，形成一个平台，该能量称为“低阶能”将低阶能开始上升的 温度定义为tk，记为NDT2828NDT：零塑性转变温度Nil Ductility Transition Temperature在此温度以下进行冲击弯曲试验，试样无预先塑性变形即断裂，断口全部由结晶区（解 理区）组成。

29292） 高于某个温度，材料吸收的能量也基 本不变，出现一个上平台，称为 “高阶能” 以高阶能对应的温度为tk，记为FTP显然，这 是一种最保守的定义tk的方法FTP：Fracture Transition PlasticTemperature在此温度以上进行冲击弯曲试验，断口为 100%纤维状断口（零解理断口） 30303） 以低阶能和高阶能的平均值对应的温 度定义tk，并记为FTEFTE：Fracture Transition ElasticTemperature注意：选材时零件工作温度应高于其韧脆转变温 度20-60℃ 31313.4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、冶金因素（内因）晶体结构、化学成分、显微组织二、外部因素温度、加载速率、试样形状和尺寸3232下一章 …3333。