第三章+材料的沖擊韌性及低溫脆性

1、第三章第三章 材料的沖擊韌性及低溫脆性材料的沖擊韌性及低溫脆性 沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載速度（幅度沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載速度（幅度和頻率）。和頻率）。 應(yīng)變率應(yīng)變率 =de/d e為真應(yīng)變?yōu)檎鎽?yīng)變 靜拉伸試驗(yàn)靜拉伸試驗(yàn) =10-510-2 s-1 沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) =102104 s-1 一般情況下一般情況下 =10-410-2 s-1，可按靜載荷處理。，可按靜載荷處理。意義：評(píng)定材料承受沖擊載荷的能力意義：評(píng)定材料承受沖擊載荷的能力 揭示材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為揭示材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為一一. 沖擊彎曲試驗(yàn)沖擊彎曲試驗(yàn)3-1 沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性沖擊彎曲試驗(yàn)與沖

2、擊韌性JB-S300數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)1、一次沖擊彎曲試驗(yàn)、一次沖擊彎曲試驗(yàn)（ GB229-2007）沖擊試驗(yàn)原理沖擊試驗(yàn)原理沖擊功：沖擊功： 21HHmgAAKUKV 沖擊試樣沖擊試樣沖擊試樣斷口形貌沖擊試樣斷口形貌2. 多次沖擊試驗(yàn)多次沖擊試驗(yàn) 試樣破壞前承受沖擊的次數(shù)少于試樣破壞前承受沖擊的次數(shù)少于500-1000次，試樣次，試樣斷裂規(guī)律與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)大于斷裂規(guī)律與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)大于105次，破壞次，破壞就具有疲勞特征。就具有疲勞特征。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代初，美國(guó)海軍研究所派林尼（年代初，美國(guó)海軍研究所派林尼（W. S. Pellini）等人提出了落錘試

3、驗(yàn)方法，用于測(cè)定全厚鋼板）等人提出了落錘試驗(yàn)方法，用于測(cè)定全厚鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度的零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，以作為評(píng)定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。，以作為評(píng)定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。沖斷周次沖斷周次沖沖擊擊功功1. 一次沖擊一次沖擊二二. 沖擊韌性及其工程意義沖擊韌性及其工程意義u反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量；通過測(cè)量沖反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量；通過測(cè)量沖擊吸收功和對(duì)樣品進(jìn)行斷口分析，可揭示原料中的夾擊吸收功和對(duì)樣品進(jìn)行斷口分析，可揭示原料中的夾渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析以及夾雜物超級(jí)等冶金缺渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析以及夾雜物超級(jí)等冶金缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷。陷；檢查過熱、過燒、

4、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷。u根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）可獲得根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）可獲得AK與溫與溫度的關(guān)系曲線，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。度的關(guān)系曲線，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。u評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性。評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性。 NKUKVKUKVFAAaa 通過落錘試驗(yàn)所得通過落錘試驗(yàn)所得NDT可以建立斷裂分析圖（可以建立斷裂分析圖（FAD，F(xiàn)racture Analysis Diagram），表示許用應(yīng)力、缺陷），表示許用應(yīng)力、缺陷（裂紋）和溫度之間的關(guān)系曲線，見下圖：（裂紋）和溫度之間的關(guān)系曲線，見下圖：斷裂分析圖（斷裂分析圖（FAD圖）圖）2

5、. 多次沖擊多次沖擊u為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆斷設(shè)計(jì)和選防止脆斷設(shè)計(jì)和選材提供了一個(gè)有效材提供了一個(gè)有效方法；方法；u可用來分析脆性可用來分析脆性斷裂事故，幫助積斷裂事故，幫助積累防止脆性斷裂的累防止脆性斷裂的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)。有關(guān)經(jīng)驗(yàn)。多次沖擊抗力的變化規(guī)律：多次沖擊抗力的變化規(guī)律：u沖擊能量高時(shí)，多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能沖擊能量高時(shí)，多次沖擊抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，多次沖擊抗力主要取決于強(qiáng)度。量低時(shí)，多次沖擊抗力主要取決于強(qiáng)度。u不同沖擊能量要求不同的強(qiáng)度和塑性的配合。不同沖擊能量要求不同的強(qiáng)度和塑性的配合。u一次沖擊韌性根據(jù)強(qiáng)度的不同，對(duì)多次沖擊抗力影響程一次沖擊韌

6、性根據(jù)強(qiáng)度的不同，對(duì)多次沖擊抗力影響程度不同。度不同。40鋼沖擊抗鋼沖擊抗力與性能和力與性能和工藝的關(guān)系工藝的關(guān)系不同強(qiáng)度時(shí)沖斷次數(shù)不同強(qiáng)度時(shí)沖斷次數(shù)與沖擊韌性的關(guān)系與沖擊韌性的關(guān)系 材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行，主要材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行，主要有以下兩方面的原因：有以下兩方面的原因：u由于沖擊載荷下應(yīng)力水平比較高，使許多位錯(cuò)源同時(shí)由于沖擊載荷下應(yīng)力水平比較高，使許多位錯(cuò)源同時(shí)起作用，結(jié)果抑制了單晶體中易滑移階段的產(chǎn)生與發(fā)起作用，結(jié)果抑制了單晶體中易滑移階段的產(chǎn)生與發(fā)展。展。u沖擊載荷增加了位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)了孿晶，沖擊載荷增加了位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)

7、了孿晶，減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程平均長(zhǎng)度，增加了點(diǎn)缺陷的減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程平均長(zhǎng)度，增加了點(diǎn)缺陷的濃度。濃度。 靜載荷作用時(shí)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒靜載荷作用時(shí)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中；中； 沖擊載荷作用時(shí)：塑性變形則比較集中于某一局部區(qū)沖擊載荷作用時(shí)：塑性變形則比較集中于某一局部區(qū)域，反映了塑性變形不均勻。域，反映了塑性變形不均勻。 這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度、這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高?？估瓘?qiáng)度的提高。三三. 沖擊脆化效應(yīng)沖擊脆化效應(yīng)3-2 低溫脆性低溫脆性一一. 系列沖擊實(shí)驗(yàn)與韌脆轉(zhuǎn)變系列沖擊實(shí)驗(yàn)與韌脆轉(zhuǎn)變溫

8、度溫度沖沖擊擊功功系列沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果系列沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果 材料沖擊功與溫度材料沖擊功與溫度的關(guān)系。的關(guān)系。高溫：高能態(tài)、韌性斷高溫：高能態(tài)、韌性斷裂。裂。低溫：低能態(tài)、脆性斷低溫：低能態(tài)、脆性斷裂。裂。韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變u低溫脆性是材料屈低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨著溫度的服強(qiáng)度隨著溫度的降低急劇增加的結(jié)降低急劇增加的結(jié)果。果。u見右圖，屈服點(diǎn)隨見右圖，屈服點(diǎn)隨著溫度的下降而升著溫度的下降而升高，但材料的解理高，但材料的解理斷裂強(qiáng)度隨著溫度斷裂強(qiáng)度隨著溫度的變化很小。的變化很小。u兩線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫兩線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度度tk。強(qiáng)度與溫度的關(guān)系強(qiáng)度與溫度的關(guān)系二二. 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

9、及其評(píng)價(jià)方法韌脆轉(zhuǎn)變溫度及其評(píng)價(jià)方法韌脆轉(zhuǎn)變溫度判據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度判據(jù)uNDT（nil ductility temperature）當(dāng)?shù)陀冢┊?dāng)?shù)陀贜DT，沖擊功不，沖擊功不隨溫度變化，形成一個(gè)平臺(tái)（低階能）。隨溫度變化，形成一個(gè)平臺(tái)（低階能）。uFTP（fracture transition plastic）高于）高于FTP，沖擊功不隨，沖擊功不隨溫度變化，出現(xiàn)一個(gè)上平臺(tái)溫度變化，出現(xiàn)一個(gè)上平臺(tái) （高階能）。（高階能）。uFTE（Fracture Transition Elastic）以低階能和高階能平）以低階能和高階能平 均值對(duì)應(yīng)的溫度。均值對(duì)應(yīng)的溫度。uV15TT AKV=15尺磅對(duì)應(yīng)的溫度

10、。尺磅對(duì)應(yīng)的溫度。u50%FATT 放射區(qū)占放射區(qū)占50%時(shí)對(duì)時(shí)對(duì) 應(yīng)的溫度。應(yīng)的溫度。三三. 影響材料低溫脆性的因素影響材料低溫脆性的因素1、晶體結(jié)構(gòu)的影響、晶體結(jié)構(gòu)的影響面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性體心立方金屬及其合金存在低溫脆性體心立方金屬及其合金存在低溫脆性密排六方金屬及其合金部分存在低溫脆性密排六方金屬及其合金部分存在低溫脆性2、化學(xué)成分的影響、化學(xué)成分的影響間隙溶質(zhì)原子，降低韌性，間隙溶質(zhì)原子，降低韌性， 提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度置換溶質(zhì)原子影響不明顯置換溶質(zhì)原子影響不明顯雜質(zhì)原子（雜質(zhì)原子（S、P、Pb、Sn、 As等）降低

11、韌性等）降低韌性3、顯微組織的影響、顯微組織的影響晶粒尺寸：細(xì)化晶?？梢蕴岣唔g性晶粒尺寸：細(xì)化晶?？梢蕴岣唔g性金相組織：回火索氏體金相組織：回火索氏體貝氏體貝氏體珠光體，韌性降低珠光體，韌性降低第二相：第二相：鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的脆鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的脆性有重要影響，無論第二相位于晶界還是獨(dú)立于基體中，性有重要影響，無論第二相位于晶界還是獨(dú)立于基體中，當(dāng)尺寸增大時(shí)材料韌性下降，當(dāng)尺寸增大時(shí)材料韌性下降，tk升高，球狀第二相韌性升高，球狀第二相韌性較好較好4、溫度的影響、溫度的影響溫度降低，脆性增加溫度降低，脆性增加鋼的鋼的“藍(lán)脆藍(lán)脆”：靜拉伸：靜拉伸230-370，沖擊，沖擊525-550525-550（表面藍(lán)色）（表面藍(lán)色）5、加載速率的