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1、金属在冲击载荷下的力学性能,第三章,3.1 冲击载荷下金属变形 3.2 冲击弯曲和冲击韧性 3.3 低温脆性 3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素,3.1 冲击载荷下金属变形,机件在冲击载荷下的失效类型和静载荷一样，也表现为过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。 在静载荷下，塑性变形比较均匀地分布在各个晶粒中，而在冲击载荷下，塑性变形则比较集中在某些局部区域，这反映了塑性变形是极不均匀的(图3-1)。,3.2 冲击弯曲和冲击韧性,为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样冲击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形动和断裂功的能力，常用标准试样
2、的冲击吸收功表示。,缺口试样冲击弯曲试验原理如图3-2所示。,3.3 低温脆性,一、低温脆性现象 二、脆韧转变温度 三、落锤试验和断裂分析图,一、低温脆性现象,当试验温度低于某一温度从时，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型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度从称为韧脆转变温度，也称为冷脆转变温度。,低温脆性是材料屈服强度随 温度降低急剧增加的结果。 断裂强度随温度变化很小， 但屈服强度(屈服点)却对温度变 化十分敏惑，温度降低，屈服强 度剧升高，故两曲线相交于一点 交点对应的温度即为(图3-5)。,二、脆韧转变温度,断口形貌反映断
3、裂结果，可用来表示韧性，测出不同温度下的断口形貌即可求得 。 这里只介绍根据能量判据和断口形貌判据定义 的方法(图3-6)。,韧性是金属材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现，因而在特定条件下，能量、强 度和塑性都可用来表示韧性。,1.按能量法定义的 方法 2.按断口形貌定义 的方法,1.按能量法定义 的方法,(1)当低于某一温度，金属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为，并记NDT(NilDuctilityTemperature)，称为无塑性或零塑性转变温度。 (2)高于某一温度，材料吸收的能量也基本
4、不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。以高阶能对应的温度为，记为 FTP(FractureTransitionPlastic)。 (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)。,2. 按断口形貌定义 的方法,冲击试样冲断后，其断口形貌如图3-7所示。,韧脆转变温度 是金属材料的韧 性指标，因为它反 映了温度对韧脆性 的影响，也是从韧 性角度选材的重要 依据之一 。,三、落锤试验和断裂分析图,普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。,50年代初，美国海军研究所派林尼(W
5、SPellini)等人提出了落锤试验方法。,落锤试验机由垂直导轨 (支承重锤)、能自由落下的 重锤和砧座等组成(图3- 8)。,3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素,一、晶体结构 体心立方金属及其合金存在低温脆性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，故这类钢都有明显的低温脆性。 二、化学成分 间隙溶质元素溶人铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，致升高，钢的韧脆转变温度提高(图3-10)。,三、显微组织,1. 晶粒大小 2. 金相组织,1. 晶粒大小 细化晶粒使材料韧性增加。图3-11为铁素体晶粒直径与韧脆转变温度的关系。 图 3-12即为低碳马氏体钢中马氏体板条束宽度与韧脆转
6、变温度之间的关系。,2. 金相组织,在较低强度水平时(如经高温回火)，强度相等而组织不同的钢， 其冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火(回火索氏体)最佳， 贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。 在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏 体组织，则其冲击吸收功和韧脆转变温度优于同强度的淬火并回火组 织。 在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体(低温上贝氏体 或下贝氏体)和马氏体混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体 组织好。 钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，影响 的程度与第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与基体的 结合力等性质有关。,思考题与习题,1解释下列名词： (1) 冲击韧度；(2) 冲击吸收功；(3) 低温脆性； (4) 韧脆转变温度；(5) 韧性温度储备。 2现需检验以下材料的冲击韧性，问哪些材料要开缺口?哪 些材料不要开缺口? W18Cr4V，Crl2MoV，3Cr2W8V，40CrNiMo， 30CrMnSi， 20CrMnTi，铸铁。 3试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。 4试述焊接船舶比铆接船舶容易发生脆性破坏的原因。 5下列三组试验方法中，请举出每一组中哪种试验方法测得的较高? 为什么? (1) 拉伸和扭转；(2) 缺口静弯曲和缺口冲击弯曲；(3) 光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。,