冲击韧性实验.docx

第三章材料的冲击韧性及低温脆性生产中许多机件和工具、摸具受冲击载荷的作用，如火箭的放射、飞机的起飞和降落、行驶的汽车通过道路上的凹坑，及材料的压力加工（锻造、冲裁、模锻）等。为了评定材料承受冲击载荷的力量，揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验吧。本章主要介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能特点以及金属材料的彳氐温脆性。§3.1冲击弯曲试验与冲击韧性一、冲击弯曲试验1.试验原理摆锤冲断试样失去的位能为GH-G“2此即为试样变形和断裂所汲取的功，称为冲击汲取功，以A表示，单位为J。AK=GHIGH22.标准试样我国标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为：夏比（Charpy）U型缺口试样和夏比V型缺口试样，冲击汲取功分别记为AKU和4皿。几何尺寸为：3.工程意义(1)获得冲击韧度或冲击值av(a1J，kv(%)=AKU(AKV)/FN(Jcm2)过去常以av(al)作为衡量材料韧脆的力学性能指标，进一步的讨论表明，其物理意义不明确，近年来已不大使用，衡量材料韧脆多直接用冲击值AKU(Akv)°它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测量AK值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹杂、偏析、严峻分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。 (2)测定材料的韧脆性转变温度。依据系列冲击试验(低温冲击试验)可获得AK与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。 (3)对OS大致相同的材料,依据AK值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性.二、多次冲击1.试验原理模拟实际零件工作状态，用落锤式多冲试验机，以450次/分600/分的频率，对试样进行小能量多次冲击，观看样品的破坏状况，考核冲击功A与样品断裂时的冲击次数N之间的关系，绘制AN曲线。用某种冲击能量A下的冲断周次N或用要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A来表示试样的多冲抗力。2.试验结果样品破坏前N<IoOO500次者，破坏规律及形态与一次冲击相同；样品破坏前N>100oOO次者，破坏规律及形态与疲惫相像。可概括为如下一些规律：(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协作。(3)材料强度不同对冲击疲惫抗力的影响不同。高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲惫抗力有较大作用；而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲惫抗力作用不大。3.工程意义(1)考核材料的多次冲击抗力；(2)作为受多次冲击零件的设计依据。三.冲击脆化效应1 .冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，因而应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。而应变速率对塑性变形、断裂及有关的力学性能有显著的影响°2 .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，使派纳力Pp41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。3 .金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。在冲击载荷下，塑性变形主要集中在某些局部区域，这种不匀称状况限制了塑性变形的进展，导致屈服强度和抗拉强度提高。且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。4 .塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。§3.2金属材料的低温脆性上节冲击弯曲试验，冲击汲取功AK、冲击韧度aco工程意义：1 .反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量；2 .评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性；3依据系列冲击试验获得AK与温度的关系曲线，确定材料的韧脆转变温度。一、系列冲击试验与低温脆性1 .系列冲击试验：对某些材料，当冲击试验分别在低温、室温柔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试验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线将这些试验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线，即At。C或ak-tY。这种不同温度下的冲击试验称为系列冲击试验。曲线tA-toC(a-toC)Zn2 .低温脆性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，冲击汲取功明显下降，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Tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。低温脆性与冷脆转变温度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，冲击汲取功明显下降，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tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。3 .低温脆性产生的缘由宏观缘由：材料低温脆性的产生与其屈服强度OS和断裂强度OC随温度的变化有关。微观缘由：体心立方金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力Oi对温度变化特别敏感有关，温度下降Oi大幅度提升，位错运动难以进行；体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。二、材料韧脆转变温度及其评价方法目前尚无简洁的判据求NDl/ FTPVu TT FTE 50%FATT温度-% Oo1X%50韧脆转变温度tk。通常只是依据能量、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，依据试验结果作出冲击汲取功、断口形貌和温度的父系曲线等，依据这些曲线求tk。依据能量判据和断口形貌判据定义tk(1)无塑性或零塑性转变温度(NDT)当低于某一温度材料汲取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。以低阶能开头提升的温度定义“，并记为NDT(NilDuctilityTemperature),称为无塑性或零塑性转变温度。(2)高阶能对应的温度(FTP)高于某一温度材料汲取的能量也基本不变，形成一个上平台，称为'、高阶能。以高阶能对应的温度为4，记为FTP(FraCtUreTransitionPlastic)。(3)低阶能和高阶能平均值对应的温度(FTE)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并1己为(FractureTransitionElastic)o(4)V15TT以AKV=I5尺磅(203Nm)对应的温度定义,并记为VT.这个规定是依据大量实践阅历总结出来的。(5)50%FATT冲击试样冲断后,其断口也有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇几部分；温度下降，纤维区面积突然削减，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/，并记为50%FATT(FractureAppearanceTransitionTemperature)或FATT50、t50。三、材料韧脆转变温度Tk的应用Tk与、Ak、NSR一样，也是平安性指标。Tk是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计，或确定材料的最低使用温度，但不能直接用来设计计算机件的承载力量或截面尺寸。一般状况下使用温度应局于Tk2060°C，即oTk=A称为韧性温度储备。四、影响材料低温脆性的因素1、晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温脆性,面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有亲密关系。所谓迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持肯定时间后才发生屈服。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。钢中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这种影响较间隙溶质原子小得多。杂质元素S、P、Pb、Sn、AS等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界体表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。晶粒大小细化晶粒可使材料韧性增加。细化晶粒提高韧性的缘由有：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数削减，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度削减，避开产生沿晶脆性断裂。(2)金相组织在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击汲取功和韧脆转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。在较高强度水平常，中、高碳钢经等温淬火获得下贝氏体组织，其冲击汲取功和韧脆转变温度优于同强度的淬火马氏体并回火组织。在相同强度水平，典型上贝氏体的韧脆转变温度高于下贝氏体。在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要好。在马氏体钢中存在稳定残余奥氏体，可以抑制解理断裂，从而显著改善钢的韧性。马氏体钢中的残余奥氏体膜也有类似作用。钢中碳化物及夹杂物等其次相对钢的脆性的影响程度取决于其次相质点的大小、外形、分布、其次相性质及其与基体的结合力等性质有关。碳钢和某些合金钢在冲击载荷作用下，在肯定温度范围内消失脆性。由于在该温度范围内加热钢时，表面氧化色为蓝色，故此现象称为蓝脆。静拉伸时也可以看到钢的蓝脆现象，但二者的蓝脆温度范围不同。在静拉伸时，蓝脆的温度范围为230-370°C；在冲击载荷作用下，蓝脆最严峻的温度范围为525550°C。蓝脆是形变时效加速进行的结果，当温度升至某一适当温度时，碳、氮原子集中速率加快，易于在位错四周偏聚形成柯氏气团。在冲击载荷作用下，形变速率较高，碳、氮原子需要在较高温度下才能获得足够的集中激活能，以形成柯氏气团，故蓝脆温度提升。提高加载速率，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水平有关。6、试样外形和尺寸的影响缺口曲率半径越小，tk越高，因此，V型缺口试样的tk高于U型试样的tk。当不转变缺口尺寸而只增加试样宽度（或厚度）时，tk提升。若试样各部分尺寸按比例增加时，tk也提升。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。