工程材料力學性能第三章

工程材料力學性能第三章第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日前言●靜載:受的應力取決于載荷和零件的最小斷面積。●沖擊載荷具有能量特性，與零件的斷面積、形狀和體積有關?！駴_擊載荷和靜載荷的主要區(qū)別在于加載速率不同?！窦虞d速率：指載荷施加于試樣或機件時的速率，用單位時間內(nèi)應力增加的數(shù)值表示。增長率σ=dσ/dt表示，單位為MPa／s第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日形變速率：單位時間內(nèi)的變形量。變形量:絕對變形量、相對變形量形變速率：絕對形變速率、相對形變速率，后者應用較為廣泛。絕對變形速率以單位時間內(nèi)試件長度的增長率V=dl/dt，單位為m／s。相對形變速率即應變率，是單位時間內(nèi)應變的變化量，

ε=dε/dt，單位為s-1。第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日實踐表明：應變率在10－4一10－2S-1，金屬力學性能變化不大，按靜載荷處理;當應變率大于10－2S-1時，力學性能顯著變化.沖擊力學性能試驗方法揭示金屬材料沖擊時的脆斷趨勢第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容：介紹金屬材料在沖擊載荷下力學行為的特點;

討論缺口試樣沖擊彎曲試驗方法;

了解金屬材料的低溫脆性。第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點

沖擊載荷下的失效類型：過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂。

一彈性變形：應變率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響?！駨椥宰冃我越橘|(zhì)中的聲速傳播。而普通機械沖擊時的絕對變形速率在103m／s以下。在彈性變形速率高于加載變形速率時，則加載速率對金屬的彈性性能沒有影響。第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日二塑性變形:應變率對塑性變形、斷裂及有關的力學性能卻有顯著影響。

塑性變形：金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難于充分進行。●塑性變形發(fā)展緩慢，若加載速率較大，則塑性變形不能充分進行。

第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日1．沖擊載荷下，瞬時位錯上高應力，位錯運動速率增加,派納力增大，滑移臨界切應力增大，金屬產(chǎn)生附加強化。

2．沖擊載荷下應力水平比較高，將使許多位錯源同時開動，在單晶體中抑制了易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展。

3．沖擊載荷還增加位錯密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯運動自由行程平均長度，增加點缺陷濃度。

4．在靜載荷下，塑性變形比較均勻地分布在各個晶粒中，沖擊載荷下，塑性變形則比較集中在某些局部區(qū)域，塑性變形是極不均勻的。不均勻的情況限制了塑性變形的發(fā)展，導致屈服強度(和流變應力)、抗拉強度提高，且屈服強度提高得較多，抗拉強度提高得較少。第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日三應變速率增加，抗拉強度增加，而且應變速率的強度關系隨溫度的增加而增加。

圖應變速率對銅在各種溫度下抗拉強度的影響第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)沖擊彎曲和沖擊韌性

不含切口零件的沖擊：沖擊能為零件的整個體積均勻地吸收，從而應力和應變也是均勻分布的；零件體積愈大，單位體積吸收的能量愈小，零件所受的應力和應變也愈小。含切口零件的沖擊：切口根部單位體積將吸收更多的能量，使局部應變和應變速率大為升高。另一個特點是：承載系統(tǒng)中各零件的剛度都會影響到?jīng)_擊過程的持續(xù)時間、沖擊瞬間的速度和沖擊力大小。這些量均難以精確測定和計算。且有彈性和塑性。

因此，在力學性能試驗中，直接用能量定性地表示材料的力學性能特征；沖擊韌性即屬于這一類的力學性能。第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日三個材料脆化因素：缺口、低溫、髙應變速率。缺口是主要因素。一缺口試樣沖擊彎曲試驗原理

擺錘式?jīng)_擊試驗機：應變速率可達103S-1

綜合＝缺口＋低溫＋高應變速率，這三個因素對材料脆化的影響使材料韌性狀態(tài)→脆性狀態(tài)，比較材料因成分、組織的改變產(chǎn)生的脆斷傾向。第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日缺口試樣的形狀有兩種梅氏（中國和蘇聯(lián)過去用）夏氏（美國和日本）我國現(xiàn)行標準：夏氏U型：沖擊功AKU

夏氏V型，沖擊功AKv注意：不同的試驗條件，不能對比。第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日1.擺錘沖斷試樣失去的位能Ak=GH1—GH2，

試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功.單位為J。沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標準試樣的沖擊吸收功Ak表示。2.沖擊吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韌脆程度,部分功消耗于試祥扔出、機身振動、空氣阻力以及軸承與測量機構(gòu)的摩擦消耗。第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日二沖擊韌性Ak:

1.Ak無明確的物理意義。

Ak除以缺口處的截面積，表示單位面積的平均值，變成了純粹的數(shù)學量。2.Ak相同的材料，韌性并不相同。3.Ak作為承受大能量沖擊抗力指標或用來評定構(gòu)件壽命與可靠性的結(jié)構(gòu)性能指標。第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日三.沖擊彎曲試驗主要用途優(yōu)點：測量迅速簡便，所以沖擊韌性AK列為五大指標之一。功用：

1.通過測量沖擊吸收功和對沖擊試樣進行斷口分析，用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造，鍛造，焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。注意：不是服役性能指標，如規(guī)定Ak≥15J/㎝2，對柴油機的連桿的要求熱處理工藝和冶金質(zhì)量是否正常提出的問題，Ak＝15J/㎝2，仍可使用。第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日2.根據(jù)低溫沖擊試驗可得Ak與溫度的關系曲線，測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。用來評定材料的冷脆傾向。評定脆斷傾向的標準是和材料的具體服役條件相聯(lián)系的。

冷脆：指材料因溫度的降低導致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.對于屈服強度大致相同的材料，根據(jù)Ak值評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性。如彈殼、防彈甲板等，具有參考價值：4.評定低合金高強鋼及其焊縫金屬的應變時效敏感性。

第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)低溫脆性一、低溫脆性低溫脆性:一些具有體心立方晶格的金屬，如Fe、Mo和W，當溫度降低到某一溫度時，由于塑性降低到零而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。從現(xiàn)象上看，是屈服強度隨溫度降低而急劇增加的結(jié)果

倘若屈服強度隨溫度的下降而升高較快，而斷裂強度升高較慢，則在某一溫度Tc以下，σs>σc，金屬在沒有塑性變形的情況下發(fā)生斷裂，即表現(xiàn)為脆性的；而在Tc以上，σs<σc，金屬在斷裂前發(fā)生塑性變形，故表現(xiàn)為塑性的。低溫脆性對壓力容器\橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫下服役的機件是非常重要的.

韌脆轉(zhuǎn)化溫度是一個溫度區(qū)間。第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日工程上希望確定一個材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度，在此溫度以上只要名義應力還處于彈性范圍，材料就不會發(fā)生脆性破壞。在冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定標準一旦建立之后，實際上是按照冷脆轉(zhuǎn)化溫度的高低來選擇材料。如圖按冷脆轉(zhuǎn)化溫度選材（選B)第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度評定的標準三種類型：比較材料的脆斷傾向或選材時，注意使用同一種標準。1)能量標準

2)斷面形貌特征

50％纖維3)斷口的變形特征意義：tK是一個韌性指標，從韌性角度選材的依據(jù)。第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日實驗方法：測定韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，將試件冷卻到不同的溫度測定沖擊功AK、斷口形貌特征與溫度的關系曲線，然后按一定的方法確定韌脆轉(zhuǎn)化溫度。1、能量法第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日(1)上平臺所對應的能量稱為高階能，下平臺所對應的能量稱為低階能。將低階能開始上升的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記NDT(NilDuctilityTemperature)稱為零塑性溫度。在NDT以下，試件的斷口為100％的結(jié)晶狀斷。

(2)將高階能開始降低的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。記為FTP(FractureTransitionPlastic)．當溫度高于FTP，試件的斷口為100％的纖維狀斷口。(3)高階能與低階能的平均值所對應的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為FTE(FractureTransitionElastic)。第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日2．斷口形貌法斷口上有纖維區(qū)、放射區(qū)(結(jié)晶區(qū))和剪切唇。在不同的溫度下，三個區(qū)相對面積不同:結(jié)晶區(qū)面積百分比的增大,表示材料變脆。通常取結(jié)晶狀斷口面積占50％時的溫度為韌脆轉(zhuǎn)化溫度，記為50％FATT第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日三tK意義1tK是一個韌性指標，反應了溫度對韌脆性的影響；2tK是安全性指標，從韌性角度選材的依據(jù)之一，抗脆斷設計，保證機件安全，但不能直接用來設計承載能力和尺寸；3根據(jù)tK可以估計構(gòu)件最低使用溫度。第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日韌性的溫度儲備:在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應高于韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。這是韌性的溫度儲備。韌性溫度儲備的大小取決于機件的重要程度。對于最重要的零件，其工作溫度不應低于NDT+67℃。4tK隨材料、定義方法外界條件的變化而變化。

第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)影響沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素一、內(nèi)因1.材料成分

晶體結(jié)構(gòu)存在低溫脆性

普通中、低強度鋼的基體是鐵素體；

一般不存在低溫脆性成分：含碳量對鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的影響第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日如圖：含碳量增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度線性上升，最大沖擊值急劇下降。間隙溶質(zhì)元素含量↑tK↑,置換型溶質(zhì)元素影響不明顯Mn%↑

tK↓Ni%↑tK↓S↑P↑

tK↑第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日2.細化晶粒

細化晶粒，使韌性↑

派奇方程描述第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日原因：晶界是裂紋擴展的阻力，晶界