第三章 金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能課件

材料力學(xué)性能

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1/19/20241第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能1/19/20242第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能為了評定材料傳遞沖擊載荷的能力,揭示材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為，就需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)。加載速率定義：載荷施加于試樣或機(jī)件時(shí)的速率，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值來表示。應(yīng)變速率：本章介紹金屬材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為特點(diǎn)，主要討論缺口試樣沖擊彎曲試驗(yàn)方法和金屬材料的低溫脆性。10^-4~10^-2，靜載荷;>10^-2,力學(xué)性能顯著變化。形變速率相對絕對1/19/20243第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能第一節(jié)沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)沖擊載荷下，由于載荷的能量性質(zhì)使整個(gè)承載系統(tǒng)承受沖擊能，所以機(jī)件、與機(jī)件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的時(shí)間，從而影響加速度和慣性力的大小。由于沖擊過程持續(xù)時(shí)間短，測不準(zhǔn)確，難于按慣性力計(jì)算機(jī)件內(nèi)的應(yīng)力，所以機(jī)件在沖擊載荷下所受的應(yīng)力，通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)件內(nèi)的彈性能，再按能量守恒法計(jì)算。1/19/20244第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能金屬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：1.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)展。2.沖擊載荷增加了位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程平均長度，增加了點(diǎn)缺陷的濃度。1/19/20245第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能靜載荷作用時(shí)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中；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。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。1/19/20246第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能1/19/20247第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能塑性、韌性隨應(yīng)變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)：如果在一定加載條件及溫度下，材料產(chǎn)生正斷，則斷裂應(yīng)力變化不大，塑性隨著應(yīng)變率的增加而減?。蝗绻牧袭a(chǎn)生切斷，則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率提高顯著增加，塑性的變化不一定，可能不變或提高。1/19/20248第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能第二節(jié)沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊韌性的定義：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，用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功Ak表示。沖擊彎曲加載速率缺口效應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)？1/19/20249第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)過程：將樣品水平放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質(zhì)量m的擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定位能mgH1。釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為mgH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能為mgH1-mgH2，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功，以Ak表示，單位為J。1/19/202410第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能注意：1、標(biāo)樣尺寸；2、對于脆性材料，常采用10*10*55mm的無缺口試樣。1/19/202411第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖擊吸收功Ak的大小不能真正反映材料的韌脆程度：這是由于缺口試樣吸收的功沒有完全用于試樣變形和破斷，一部分消耗于試樣擲出、機(jī)身振動(dòng)、空氣阻力以及軸承與測量機(jī)構(gòu)中的摩擦消耗等。通常試驗(yàn)時(shí)，這些功消耗可以忽略不計(jì)，但當(dāng)擺錘軸線與缺口中心線不一致時(shí)，上述功消耗較大，不同試驗(yàn)機(jī)上測得的Ak值相差10-30%。1/19/202412第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能沖擊彎曲試驗(yàn)的主要用途有兩點(diǎn)：(1)控制原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。通過測量沖擊吸收功和對樣品進(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等冶金缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷。(2)根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）可得Ak與溫度的關(guān)系曲線，測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。可以評定材料的低溫脆性傾向。1/19/202413第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能缺口沖擊韌性試驗(yàn)機(jī)介紹主要技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)：1擺錘預(yù)揚(yáng)角：150°2擺軸中心至打擊中心的距離：750mm、800mm3沖擊速度：5.2m/s、5.4m/s4最大沖擊能量：300J/500J、500J/250J5試樣支座跨距：40mm6試樣支座端圓弧半徑：R1-1.5mm7沖擊刀圓弧半徑：R2-2.5mm8沖擊刀兩斜面夾角：30°9沖擊刀厚度：16mm10主機(jī)外形尺寸：2124mm×600mm×1340mm、2300mm×600mm×1400mm11重量：480kg、580kg

JB-S300數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)1/19/202414第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能技術(shù)參數(shù)：1沖擊能量：300J、150J/500J、250J2擺錘預(yù)揚(yáng)角：150o3沖擊速度：5.2m/s/5.4m/s4試樣支座跨距：40mm5鉗口圓角：R1-1.5mm6沖擊刀刃圓角：R2-2.5mm7試樣規(guī)格：55×10×10mmJB-300/500W微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)1/19/202415第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能第三節(jié)低溫脆性一、低溫脆性現(xiàn)象定義：體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體-珠光體鋼），在試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性。1/19/202416第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能1912年當(dāng)年最為豪華、號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。1985年以后，探險(xiǎn)家們數(shù)次深潛到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遺物。1995年2月美國《科學(xué)大眾》（PopularScience）雜志發(fā)表了RGannon的文章，標(biāo)題是『WhatReallySankTheTitanic』,付標(biāo)題是“為什么‘不會(huì)沉沒的’船在撞上一個(gè)冰山后3小時(shí)就沉沒了？一項(xiàng)新的科學(xué)研究回答了80年未解之謎“。由于早年的Titanic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。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。Titanic號鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1/19/202417第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能右圖是建造中的Titanic號。Gannon的文章指出，在水線上下都由10張30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。船在冰水中撞擊冰山而裂開時(shí)，脆性的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)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(gè)突出例證。建造中的Titanic號，可以看到船身上長長的焊縫1/19/202418第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨著溫度的降低急劇增加的結(jié)果。見右圖，屈服點(diǎn)隨著溫度的下降而升高，但材料的解理斷裂強(qiáng)度隨著溫度的變化很小;兩線交點(diǎn)對應(yīng)的溫度就是tk。斷裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度韌性斷裂脆性斷裂Bcc金屬的低溫脆性的原因：1、派納力（P14,圖1-11）；2、遲屈服現(xiàn)象。1/19/202419第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度在不同溫度下進(jìn)行沖擊彎曲試驗(yàn)：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出沖擊吸收功-溫度曲線、斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線，試樣斷裂后塑性變形量與溫度的關(guān)系曲線等，根據(jù)這些曲線來求得tk。定義：結(jié)合圖3.5，強(qiáng)度和塑韌性的變化；對應(yīng)指標(biāo)的變化。1/19/202420第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能1.按能量定義tk的方法(1)當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟?，金屬材料吸收的沖擊能量基本不隨溫度變化，形成一個(gè)平臺，該能量稱為“低階能”。(2)高于某一溫度時(shí)，材料吸收的溫度基本不變，出現(xiàn)一個(gè)上平臺，稱為“高階能”。(3)以低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度定義tk，記為FTE（FractureTransitionElastic）。1/19/202421第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能2.按斷口形貌定義tk的方法沖擊試樣沖斷后，斷口形貌見下圖：試驗(yàn)表明，在不同試驗(yàn)溫度下，纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇三者之間的相對面積（或線尺寸）是不同的。溫度下降，纖維區(qū)面積突然減少，結(jié)晶區(qū)面積突然增加，材料由韌變脆。通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積的50%時(shí)的溫度為tk，記為50%FATT或FATT50、t50。裂紋擴(kuò)展速率的變化：

低-高-低形成機(jī)理1/19/202422第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk可用于抗脆斷設(shè)計(jì)、保證機(jī)件服役安全，但不能直接用來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸。機(jī)件的最低使用溫度必須高于tk，兩者相差越大越安全，所以選用的材料應(yīng)該具有一定的韌性溫度儲備，也就是說具有一定的△值，△=t0-tk。1/19/202423第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素的變化（如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等），tk也要變化。所以在一定條件下用試樣測得的tk，由于和實(shí)際結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，所以不能說明該材料制成的機(jī)件一定在該溫度下脆裂。1/19/202424第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能三、落錘試驗(yàn)和斷裂分析圖50年代初，美國海軍研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落錘試驗(yàn)方法，用于測定全厚鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，以作為評定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。1/19/202425第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能落錘試驗(yàn)機(jī)示意圖落錘試驗(yàn)機(jī)由垂直導(dǎo)軌（支持重錘）、能自由下落的重錘和砧座等組成，見右圖。重錘錘頭是一個(gè)半徑為25mm的鋼制圓柱，硬度不小于50HRC。重錘可升到不同高度，以獲得340-1650J的能量。砧座上除了兩端的支承塊外，中心部分還有一個(gè)撓度終止塊，以限制試樣產(chǎn)生過大的塑性變形。1/19/202426第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能落錘試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖TLC-300落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)適用于熱塑性塑料管材、管件和硬質(zhì)塑料板材的耐沖擊試驗(yàn)。最大沖擊能量300J最大沖擊高度2m標(biāo)尺誤差±１％落錘組合質(zhì)量最大組合質(zhì)量15KG±0.1%沖頭規(guī)格：AR=10mmBR=20mCR=5mmBBR=30mm沖擊中心與夾具中心偏差不大于2mm電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)最大提升力20kgf牽引電磁鐵最大吸力不小于20kgf管材V型托板200×300×25mm3試樣尺寸直徑20-400mmTLC-300落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)1/19/202427第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進(jìn)行打擊。隨著試樣溫度的下降，其力學(xué)行為發(fā)生如下變化：沒有出現(xiàn)裂紋→拉伸側(cè)表面形成裂紋，但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→試樣斷成兩部分。1/19/202428第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分，例如：(1)NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2)NDT+33℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(3)NDT+67℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1/19/202429第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能落錘試驗(yàn)的缺點(diǎn)：(1)不能定量評定脆性斷裂(2)未考慮板厚的影響1/19/202430第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能通過落錘試驗(yàn)所得NDT可以建立斷裂分析圖（FAD，F(xiàn)ractureAnalysisDiagram），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：CAT1/19/202431第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能斷裂分析圖的優(yōu)點(diǎn)：(1)為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆斷設(shè)計(jì)和選材提供了一個(gè)有效方法；(2)可用來分析脆性斷裂事故，幫助積累防止脆性斷裂的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)。斷裂分析圖的缺點(diǎn)：未考慮加載速率和板厚的影響1/19/202432第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能第四節(jié)影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素一、晶體結(jié)構(gòu)二、化學(xué)成分三、顯微組織1/19/202433第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能二、化學(xué)成分間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，偏聚于位錯(cuò)線附近，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度的升高，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。解釋原因？1/19/202434第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能三、顯微組織（一）晶粒大小細(xì)化晶?？墒共牧系捻g性增加1/19/202435第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能細(xì)化晶粒提高韌性的原因：(1)晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；(2)晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；(3)晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。1/19/202436第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能（二）金相組織1、較低強(qiáng)度水平時(shí)（如高溫回火），強(qiáng)度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功Ak與tk以馬氏體高溫回火（回火索氏體）最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差。球化處理可改善鋼的韌性。1/19/202437第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能2、在較高強(qiáng)度水平時(shí)，如中、高碳鋼在較低等溫溫度下獲得下貝氏體組織，則Ak與tk優(yōu)于同強(qiáng)度的淬火回火組織。3、相同強(qiáng)度水平下，典型上貝氏體的tk優(yōu)于下貝氏體。4、在某些馬氏體鋼中存在奧氏體，可以抑制解理斷裂。5、鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對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，當(dāng)尺寸增大時(shí)材料韌性下降，tk升高。1/19/202438第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能1.硬度指什么？測定灰鑄鐵硬度時(shí)常用什么實(shí)