材料的冲击韧性及低温脆性

null第三章 材料的冲击韧性及低温脆性 第三章 材料的冲击韧性及低温脆性 null第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性 null1.一次冲击弯曲试验 缺口试样一次冲击弯曲试验原理如图3-1所示。 一、冲击弯曲试验null图3-1 摆锤冲击试验原理示意图null 试验：质量m的摆锤，举至高度H 势能mgH1；锤释放，将试件冲断。摆锤失去一部分能量，这部分能量就是冲断试件所作的功，称为冲击功，以Ak表示。剩余的能量使摆锤扬起高度H2，故剩余的能量即为mgH2。 Ak=mgH1-mgH2=mg(H1-H2) Ak的单位为Kgf.m或J。null 国家标准规定冲击弯曲试验标准试样分别为夏比(Charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样，两种试样的形状及尺寸如图3-2和图3-3所示。所测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV。 null2．多次冲击试验 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验机PC-150上进行，冲击频率为450周次／min和600周次／min。冲击能量靠冲程调节而变换(0.1～1.5J)，可做多冲弯曲、拉伸和压缩试验．试验后可绘制出冲击功A—N曲线，如图3-4所示。从A—N多冲曲线不难看出，随冲击功A的减少，冲断次数N增加。 二、冲击韧性及其工程意义 二、冲击韧性及其工程意义 1．一次冲击 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKV(AKU)，便得到冲击韧度或冲击值aKV(aKU)，即 aKV(aKU)=AKV(AKU)/FN aKV(aKU)是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性有关，单位为J／cm2。 一次冲击弯曲试验主要用途 一次冲击弯曲试验主要用途 1.它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。 2.测定材料的韧脆性转变温度． 3.对大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 2．多次冲击 2．多次冲击 (1)冲击能量高时，材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 (2)不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 (3) aKV值对冲击疲劳抗力的影响 三、冲击脆化效应 三、冲击脆化效应 在冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，结果造成位错运动速率增加。因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关，位错运动速率的增加将使派纳力增大。运动速率愈大，则能量愈大，宽度愈小，故派纳力愈大。结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。 null 由于冲击载荷下的应力水平较高，可使许多位错源同时开动，结果在单晶体中抑制了易滑移阶段的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度。上述诸点均使金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行. null第二节 低温脆性 一、系列冲击实验与低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性 系列冲击试验：对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进行时可以得到一系列冲击值AK(或ａk)，将这些冲击值与所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线，即AK-tnull 系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度称为韧脆转变温度或冷脆转变温度. null 实验中归纳有3种不同的冲击吸收功一温度关系曲线: 第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆性的; 第二类曲线显示具有面心立方结构的金属如铜、铝等材料在很低的温度下仍具有较高的韧性。 第三类曲线显示材料在一定温度区间产生低温脆性转变，这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化是十分敏感的。 null 从宏观角度分析，材料低温脆性的产生与其屈服强度 s，和断裂强度 c，随温度的变化有关。因热激活对裂纹扩展的力学条件 c＝ 没有明显作用，故断裂强度 c随温度的变化很小. nullnull 微观上，体心立方金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力i对温度变化非常敏感有关，i在低温下增加，故该类材料在低温下处于脆性状态。面心立方金属因位错宽度比较大，i对温度变化不敏感，故一般不显示低温脆性。 二、韧脆转化温度及其评价方法 二、韧脆转化温度及其评价方法 通常只是根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化定义tk。为此，需要在不同温度下进行冲击弯曲试验，根据试验结果作出冲击吸收功—温度曲线、试样断裂后塑性变形量和温度的关系曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线等，根据这些曲线求tk。这里只介绍根据能量判据和断口形貌判据定义tk的方法，各种韧脆性转变温度判据见图3-9。 按能量法定义tk的方法 按能量法定义tk的方法 (1)当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。以低阶能开始上升的温度定义tk，并记为NDT(nil ductility temperature)，称为无塑性或零塑性转变温度， null (2)高于某一温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为tk,记为FTP(fracture transition plastic)。高于FTP的断裂，将得到100％的纤维状断口。 null(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE(fracture transition elastic)。 null(4)以Akv＝15 呎磅(20.3N·m)对应的温度定义，并记为V15TT。这个规定是根据大量实践经验出来的。实践表明，低碳钢船用钢板服役时若冲击韧性大干15呎磅或在V15TT以上工作就不致于发生脆性断裂。 null (5)温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆．通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为tk，并记为50％FATT（fracture appearance transition temperature)或 FATT50、t50。 三、影响材料低温脆性的因素 三、影响材料低温脆性的因素 1晶体结构的影响：体心立法金属及其合金存在低温脆性，而面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。 2化学成分的影响：间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。 加入置换型溶质元素（Ni、Mn例外），一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但是效果不明显。杂质元素S、P、Pb等使钢的韧性下降。 null 3.显微组织的影响 （1）    细化晶粒提高韧性 （2）    金相组织有影响 4.温度的影响 主要是“蓝脆”的影响 5.加载速率的影响 提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。 加载速率对钢脆性的影响与钢的强度有。 null6．试样形状和尺寸的影响 缺口曲率半径越小，tk，因此，V型缺口试样的tk高于U型试样的tk。 当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度(或厚度)时，tk升高．若试样各部分尺寸按比例增加时，tk也升高．这是由于试样尺寸增加时应力状态变硬，且缺陷几率增大，故脆性增大。null作业: P64 1、2、4、6