材料性能與測試第章材料的沖擊韌性和

1、.1()233.1 沖擊彎曲實驗和沖擊韌性沖擊彎曲實驗和沖擊韌性3.2 低溫脆性低溫脆性 許多機件工具模具受沖擊載荷作用，如火箭的發(fā)許多機件工具模具受沖擊載荷作用，如火箭的發(fā)射、飛機的起飛降落、材料鍛沖加工、防彈材料等，射、飛機的起飛降落、材料鍛沖加工、防彈材料等，本章介紹材料承受沖擊載荷的實驗方法、特點及指標。本章介紹材料承受沖擊載荷的實驗方法、特點及指標。目 錄 3.3 落錘實驗落錘實驗4R 沖擊載荷靜載荷的主要區(qū)別：加載速率不同。形變速率（單位時間內的變形量）可間接地反映出加載速率的變化。R 相對形變速率又稱為應變率（單位時間內應變的變化量）。R 實踐表明：應變率在10-4 10-2S-

2、1內，金屬力學性能沒有明顯的變化，可按靜載荷處理。當應變力大于10-2S-1時，金屬力學性能將發(fā)生顯著變化。為了評定金屬材料傳遞沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷作用下的力學行為，需要進行相應的力學性能試驗。5圖圖3-1 沖擊試驗機、試樣和原理圖沖擊試驗機、試樣和原理圖3.1 沖擊彎曲實驗與沖擊韌性一、沖擊彎曲實驗一、沖擊彎曲實驗1.一次沖擊彎曲試驗一次沖擊彎曲試驗 試驗原理：擺錘式沖擊試驗機；試驗原理：擺錘式沖擊試驗機；缺口試樣缺口試樣U型和型和V型型；舉至舉至H1的位置的位置(位能為位能為GH1)釋放擺錘沖斷試樣擺錘至釋放擺錘沖斷試樣擺錘至H2的位置的位置(位能為位能為GH2)； GH1-

3、GH2=AK 此即為沖擊吸收功此即為沖擊吸收功(AKU和和AKV)。 測試標準：測試標準：GB229-84和和GB2106-80。6圖圖3-2 多次沖擊曲線多次沖擊曲線2. 多次沖擊試驗多次沖擊試驗 沖擊次數小于沖擊次數小于5001000次，次，試樣斷裂規(guī)律和一次沖擊相同；試樣斷裂規(guī)律和一次沖擊相同； 沖擊次數大于沖擊次數大于105次時，試次時，試樣破壞具有典型的疲勞斷口特樣破壞具有典型的疲勞斷口特征，沖擊損傷積累結果。征，沖擊損傷積累結果。 AK曲線：沖擊功和沖斷曲線：沖擊功和沖斷次數曲線，反比關系次數曲線，反比關系沖擊功沖擊功沖斷周數沖斷周數AK沖擊載荷下，塑性變形集中在某些局部區(qū)域，極不

4、均勻。沖擊載荷下，塑性變形集中在某些局部區(qū)域，極不均勻。沖擊載荷下：應力水平較高，許多位錯源同時啟動，抑制易滑移階段的沖擊載荷下：應力水平較高，許多位錯源同時啟動，抑制易滑移階段的產生和發(fā)展；增加位錯密度，減少位錯運動自由行程增加點缺陷濃度等。產生和發(fā)展；增加位錯密度，減少位錯運動自由行程增加點缺陷濃度等。導致強度提高。導致強度提高。塑性與韌性隨應變率增加而變化的特征與斷裂方式有關。正斷：減少；塑性與韌性隨應變率增加而變化的特征與斷裂方式有關。正斷：減少；剪斷：不變或提高。剪斷：不變或提高。3 3、變形斷裂特點、變形斷裂特點71.一次沖擊一次沖擊 (1)沖擊韌度或沖擊值沖擊韌度或沖擊值a KU

5、(aKV): 用試樣缺口處截面用試樣缺口處截面FN(cm2)去除去除AKU(AKV)。即。即 aKU(aKV)AKU(AKV)/FN (2)沖擊功沖擊功: GH1-GH2=AK (3)工程意義工程意義: 反映出原始材料的冶金質量和熱加工產品質量；分析反映出原始材料的冶金質量和熱加工產品質量；分析斷口判斷缺陷；斷口判斷缺陷； 測定材料的韌脆性轉變溫度；測定材料的韌脆性轉變溫度； 對對s大致相同的材料，根據大致相同的材料，根據AK值可以評定材料對大能值可以評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性。量沖擊破壞的缺口敏感性。二、沖擊韌性二、沖擊韌性82.多次沖擊多次沖擊 (1)某種沖擊能量某種沖擊能量A下

6、的沖斷周次下的沖斷周次N； (2)要求的沖擊工作壽命要求的沖擊工作壽命N時的沖斷能量時的沖斷能量A。 (3)多沖抗力取決于塑性和強度：多沖抗力取決于塑性和強度： A高時，多次沖擊抗力主要取決于塑性；高時，多次沖擊抗力主要取決于塑性； A低時，多沖抗力主要取決于強度。低時，多沖抗力主要取決于強度。 不同的不同的A要求不同的強度與塑性配合。要求不同的強度與塑性配合。 高強度鋼和超高強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高高強度鋼和超高強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力有較大作用；沖擊疲勞抗力有較大作用； 而中、低強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲而中、低強度鋼的塑性和沖擊韌性對提高沖擊疲勞抗力作用不大。

7、勞抗力作用不大。9沖擊載荷沖擊載荷和靜載荷失效和靜載荷失效相同點：相同點： 過量彈性變形、過量塑性變形和斷過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂裂沖擊載荷沖擊載荷和靜載荷失效和靜載荷失效不同點：不同點： 變形速率不同；變形速率不同； 沖擊載荷主要表現為脆性（脆化）；沖擊載荷主要表現為脆性（脆化）； 塑性變形主要集中在局部區(qū)域。塑性變形主要集中在局部區(qū)域。 沖擊脆化主要原因沖擊脆化主要原因- -塑性變形難以充分進行，集中在局部區(qū)域：塑性變形難以充分進行，集中在局部區(qū)域： (1)(1)應變速率。應變速率。 應變速率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響，應變速率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響，

8、而對塑性變形、斷裂等有顯著的影響。而對塑性變形、斷裂等有顯著的影響。 (2)(2)沖擊載荷。沖擊載荷。 使金屬產生附加強化；使金屬產生附加強化； 增加位錯密度和滑移系數目，出現孿晶，增加位錯密度和滑移系數目，出現孿晶， 減小位錯運動自由行程的平均長度，增加點缺陷濃度等。減小位錯運動自由行程的平均長度，增加點缺陷濃度等。三、沖擊脆化效應三、沖擊脆化效應10v 定義：材料在某一溫度定義：材料在某一溫度tk下由韌變脆，下由韌變脆，沖擊功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集沖擊功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口由纖維狀變?yōu)榻Y晶變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谟衫w維狀變?yōu)榻Y晶狀。如體心立方金屬，某些密排金屬合狀

9、。如體心立方金屬，某些密排金屬合金。金。v 測量不同溫度測量不同溫度(低、室、高溫低、室、高溫)下沖擊韌下沖擊韌性性aK(AK)與溫度與溫度t的關系曲線的關系曲線(AKt)。tk稱為韌脆轉變溫度或冷脆轉變溫度。是稱為韌脆轉變溫度或冷脆轉變溫度。是安全性指標之一，最低使用溫度必須高安全性指標之一，最低使用溫度必須高于于tk。v 原因：原因：溫度影響位錯溫度影響位錯在晶體中運動的磨擦阻力，在晶體中運動的磨擦阻力，降低溫度，阻力上升。材料變脆。降低溫度，阻力上升。材料變脆。3.2 低溫脆性圖圖3-3 鋼的脆性轉變溫度鋼的脆性轉變溫度11q韌脆轉化溫度韌脆轉化溫度t tk k及其評價方法及其評價方法

10、1、能量法：、能量法： (1)無塑性或零塑性轉變溫度無塑性或零塑性轉變溫度NDT(Nilductility temp)： 低階能：低于某一溫度，低階能：低于某一溫度， 沖擊能量基本不隨溫度而變化，形沖擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺。成一平臺。 低階能開始上升的溫度為低階能開始上升的溫度為tk。 NDT以下，斷口由以下，斷口由100結晶區(qū)結晶區(qū)(解理解理區(qū)區(qū))組成。組成。(2) transition plastic)： 高階能：高于某溫度，吸收的能量基本不變，形成上平臺。高階能：高于某溫度，吸收的能量基本不變，形成上平臺。 以高階能對應的溫度為以高階能對應的溫度為tk (即即FTP)。高于

11、。高于FTP的斷裂，得到的斷裂，得到100的纖維狀斷口。的纖維狀斷口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低階能和高階能平均值對應：低階能和高階能平均值對應的溫度。的溫度。 (4) V15TT：以：以AKV=20.3Nm對應的溫度。對應的溫度。圖圖3-4 韌脆轉變溫度判據韌脆轉變溫度判據122 2、斷口形貌法：、斷口形貌法： (1)(1)斷口形貌：斷口形貌： (2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)： 通常取結晶區(qū)面積占整個斷口面積通常取結晶區(qū)面積占整個斷口面積50時的溫度為時

12、的溫度為tk 。 由纖維區(qū)由纖維區(qū)F F、放射區(qū)、放射區(qū)( (結晶區(qū)結晶區(qū))R)R、剪切、剪切唇唇S S組成。組成。 和常見拉伸斷口的區(qū)別：和常見拉伸斷口的區(qū)別： t t不同，相對面積不同。不同，相對面積不同。 ( (面積面積t t曲線曲線) )圖圖3-5 拉伸斷口和沖擊拉伸斷口和沖擊斷口的形貌示意圖斷口的形貌示意圖13F 在在1010時，斷口為時，斷口為100100纖維區(qū)，沖纖維區(qū)，沖擊值很高，韌性狀擊值很高，韌性狀態(tài)；溫度降到態(tài)；溫度降到2525時，沖擊值下時，沖擊值下降一半，斷口也出降一半，斷口也出現將近一半的結晶現將近一半的結晶區(qū)，處在韌性向脆區(qū)，處在韌性向脆性轉折的過渡狀態(tài)；性轉折的

13、過渡狀態(tài)；當溫度再降低至當溫度再降低至8080時，沖擊值非時，沖擊值非常低，斷口為常低，斷口為100100的結晶區(qū)，為完的結晶區(qū)，為完全脆性狀態(tài)。全脆性狀態(tài)。 圖圖3-6 含錳含錳1.39%低碳鋼板系列沖擊試驗結果低碳鋼板系列沖擊試驗結果(a) 沖擊值沖擊值-溫度曲線；溫度曲線；(b) 斷口纖維區(qū)面積斷口纖維區(qū)面積%-溫度曲線；溫度曲線；(c) 載荷載荷-撓度曲線及斷口形貌撓度曲線及斷口形貌14F韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度t tk k反映了溫度對韌脆性的影響，它是反映了溫度對韌脆性的影響，它是安全性能指標，是從韌性角度選材的依據之一。對安全性能指標，是從韌性角度選材的依據之一。對于在低溫服役的材

14、料，最低使用溫度高于于在低溫服役的材料，最低使用溫度高于t tk k，二者，二者之差愈大愈安全之差愈大愈安全( (差差202060)60)。圖圖3-7 鐵素體鐵素體(體心立方體心立方)、奧氏體、奧氏體(面心立方面心立方)和奧氏體鋼和奧氏體鋼15 1) 1)晶體結構的影響：晶體結構的影響：bccbcc、hcphcp有，有，fccfcc沒有沒有原因：加載后屈服速度差別。前者有遲屈服現象原因：加載后屈服速度差別。前者有遲屈服現象 2)2)化學成分的影響：見下圖化學成分的影響：見下圖3 3、影響材料低溫脆性的因素、影響材料低溫脆性的因素-100-500501001502000 0.4 0.81.61.

15、22.0wt%韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度/圖圖3-8 合金元素對鋼韌脆轉變溫度的影響合金元素對鋼韌脆轉變溫度的影響NiCPSiCrMnCu16 3) 3)顯微組織的影響：細化晶粒增加韌性，降低顯微組織的影響：細化晶粒增加韌性，降低t tk k；例如：回火索氏體的沖擊吸收功和例如：回火索氏體的沖擊吸收功和t tk k最佳，回火貝氏最佳，回火貝氏體次之，片狀珠光體最差；體次之，片狀珠光體最差；淬火馬氏體淬火馬氏體低溫回火馬氏體低溫回火馬氏體中溫回火屈氏體中溫回火屈氏體高溫回火索氏體高溫回火索氏體17F 18121812年，在歐洲大陸上取得了一系列輝煌勝利的拿破侖兵敗俄年，在歐洲大陸

16、上取得了一系列輝煌勝利的拿破侖兵敗俄羅斯。世人往往將其失敗歸結為戰(zhàn)線拖得太長、后勤供應不上。羅斯。世人往往將其失敗歸結為戰(zhàn)線拖得太長、后勤供應不上。但加拿大著名化學家潘妮但加拿大著名化學家潘妮拉古德所著拉古德所著拿破侖的紐扣：改變歷拿破侖的紐扣：改變歷史的史的1616個化學故事個化學故事中提到，一個簡單的化學反應很有可能對拿中提到，一個簡單的化學反應很有可能對拿破侖的失敗起了重要作用。破侖的失敗起了重要作用。F 拿破侖部隊軍服上，采用錫制紐扣。錫是一種堅硬的金屬拿破侖部隊軍服上，采用錫制紐扣。錫是一種堅硬的金屬, ,然然而它有而它有3 3種同素異形體種同素異形體白錫、脆錫和灰錫。在常溫下，我們

17、通白錫、脆錫和灰錫。在常溫下，我們通常所看到的錫是銀白色的白錫，白錫堅硬且穩(wěn)定，四方晶系，密常所看到的錫是銀白色的白錫，白錫堅硬且穩(wěn)定，四方晶系，密度度7.31g/cm7.31g/cm3 3而在低溫下而在低溫下(-13.2)(-13.2)，白錫發(fā)生化學反應而變成粉，白錫發(fā)生化學反應而變成粉末狀的灰錫?；义a為金剛石形立方晶系，密度為末狀的灰錫。灰錫為金剛石形立方晶系，密度為5.75g/cm5.75g/cm3 3因此因此低溫下白錫體積膨脹，錫上會出現一些粉狀小點，然后會出現一低溫下白錫體積膨脹，錫上會出現一些粉狀小點，然后會出現一些小孔，最后會分崩離析。如果溫度急劇下降到零下些小孔，最后會分崩離析

18、。如果溫度急劇下降到零下33 33 度時，度時，晶體錫會變成粉末錫。由于衣服上沒有了紐扣，數十萬大軍在冰晶體錫會變成粉末錫。由于衣服上沒有了紐扣，數十萬大軍在冰天雪地中敞開著衣服，許多人被活活凍死，還有一些人得病而死。天雪地中敞開著衣服，許多人被活活凍死，還有一些人得病而死。潘尼道：潘尼道：“毫無疑問，毫無疑問，1812 1812 年寒冷溫度是造成拿破侖征俄大軍年寒冷溫度是造成拿破侖征俄大軍崩潰的主要因素，而錫在低溫度下可變的特性，也是拿破侖士兵崩潰的主要因素，而錫在低溫度下可變的特性，也是拿破侖士兵被迫披上這些古怪衣服的原因。被迫披上這些古怪衣服的原因。”拿破侖的紐扣生活中的低溫脆性拿破侖的

19、紐扣生活中的低溫脆性18v 發(fā)生發(fā)生脆變時，裂紋的擴展速度可高達脆變時，裂紋的擴展速度可高達10003000m/s，無法，無法加以阻止，無任何征兆。加以阻止，無任何征兆。v 1938 年和年和1940 年年, 在比利時的哈塞爾特城和海倫賽貝斯城在比利時的哈塞爾特城和海倫賽貝斯城先后發(fā)生了兩次鋼橋坍塌事故。經研究，這些事故正是材先后發(fā)生了兩次鋼橋坍塌事故。經研究，這些事故正是材料的冷脆造成的料的冷脆造成的。v 1912年當年最為豪華、號稱永不沉沒年當年最為豪華、號稱永不沉沒Titanic首航沉沒于冰首航沉沒于冰海，成了海，成了20世紀令人難以忘懷的悲慘海難。左面的試樣取世紀令人難以忘懷的悲慘海難

20、。左面的試樣取自海底的自海底的Titanic號，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。號，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的由于早年的Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。低溫脆性的危害低溫脆性的危害19 在水線上下都由在水線上下都由10 張張30 英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成英尺長的高含硫量脆性鋼板焊接成300英尺的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊英尺

21、的船體。船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開時，脆性的焊縫無異于一條冰山而裂開時，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，英尺長的大拉鏈，使船體產生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。這使船體產生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。這是鋼材韌性與人身安全的一個突出例證。是鋼材韌性與人身安全的一個突出例證。201954 年冬天，在愛爾蘭寒風凜冽的海面上航行的英國年冬天，在愛爾蘭寒風凜冽的海面上航行的英國32000噸的噸的“世界協(xié)和號世界協(xié)和號”油船，突然發(fā)生船體中部斷裂并沉沒。油船，突然發(fā)生船體中部斷裂并沉沒。原因也是材料的冷脆。原因也是材料的冷脆。船身一分為二斷裂的Schene

22、ctady號油輪 21r 利用冷脆現象，人們發(fā)明了利用冷脆現象，人們發(fā)明了“低溫粉碎技術低溫粉碎技術”。以低溫。以低溫鋼鐵粉碎技術為例：廢鋼在投入熔爐前需要進行粉碎，傳統(tǒng)鋼鐵粉碎技術為例：廢鋼在投入熔爐前需要進行粉碎，傳統(tǒng)的電弧切割法有能耗大，效率低的缺點。而使用低溫粉碎時，的電弧切割法有能耗大，效率低的缺點。而使用低溫粉碎時，只需使粉碎溫度低于廢鋼的韌脆轉化溫度，廢鋼就變得像玻只需使粉碎溫度低于廢鋼的韌脆轉化溫度，廢鋼就變得像玻璃那樣易碎了。為了達到此溫度，可將廢鋼浸泡在液氮中，璃那樣易碎了。為了達到此溫度，可將廢鋼浸泡在液氮中，或用低溫的氮氣冷卻。低溫粉碎技術還可以用來粉碎其他許或用低溫的

23、氮氣冷卻。低溫粉碎技術還可以用來粉碎其他許多金屬如鋯合金，只需遵循溫度低于該金屬的韌脆轉化溫度多金屬如鋯合金，只需遵循溫度低于該金屬的韌脆轉化溫度的原則即可。的原則即可。r 現在具有明顯韌脆轉化溫度的金屬往往在低溫下才發(fā)生現在具有明顯韌脆轉化溫度的金屬往往在低溫下才發(fā)生這一轉變。我們可以制造出在室溫附近發(fā)生明顯韌脆轉化的這一轉變。我們可以制造出在室溫附近發(fā)生明顯韌脆轉化的材料，借此我們可以通過簡單的溫度改變來影響材料的脆性，材料，借此我們可以通過簡單的溫度改變來影響材料的脆性，以制造新型炸彈、逃生門、溫度報警控制器等裝置。以制造新型炸彈、逃生門、溫度報警控制器等裝置。低溫脆性的利用低溫脆性的利

24、用22v 2008 年年9 月月25 日晚日晚9 時時10 分，中國自行研制的第分，中國自行研制的第三艘載人飛船神舟七號，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航三艘載人飛船神舟七號，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航天發(fā)射場由天發(fā)射場由“長征二號長征二號F”運載火箭發(fā)射升空。運載火箭發(fā)射升空。“長征長征二號二號F”第三級火箭采用的是液氫液氧發(fā)動機，而在第三級火箭采用的是液氫液氧發(fā)動機，而在1 個大氣壓下，液氧的沸點是個大氣壓下，液氧的沸點是-183，液氫的沸點是，液氫的沸點是-253。液氫液氧的貯存箱就運用了。液氫液氧的貯存箱就運用了鋁合金鋁合金的耐低溫的耐低溫特性，采用高強度特性，采用高強度鋁合金鋁合金材料制成。材

25、料制成。23z 落錘試驗與斷裂分析圖落錘試驗與斷裂分析圖 普通的沖擊彎曲試樣尺寸過小，不能反映實際構件的應力狀普通的沖擊彎曲試樣尺寸過小，不能反映實際構件的應力狀態(tài)，且結果分散性大，不能滿足一些特殊要求。態(tài)，且結果分散性大，不能滿足一些特殊要求。5050年代初，年代初，美海軍研究所美海軍研究所PelliniPellini等人提出落錘試驗方法。等人提出落錘試驗方法。3.3 落錘實驗z 試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，使軋制面向下處于受拉側，然后落使軋制面向下處于受拉側，然后落下重錘進行打擊。隨溫度下降，力下重錘進行打擊。隨溫度下降，力學行為發(fā)生如下變化學行為發(fā)生如下變化: : 1).