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材料力学性能
第三章
冲击韧性及低温脆性
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材料力学性能
§1 冲击载荷的特点
一、冲击载荷的表示方法

表示方法： t
绝对变形速度：  

应变率：  

de 1 dL 
 

dt L dt L
通常   10 ~ 10 s

dL
dt
6
6
1
  10 s 时，按静载荷处理
2
1

  10 ~ 10 s 按冲击载荷处理
2
4
1
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二、冲击载荷对变形和断裂的影响
1、对弹性变形的影响
应变速率对金属材料的弹性行为和E基本无影响
2、对塑形变形的影响
 变形不均匀
 产生孪晶
随应变速率的增加，材料的强度升高，塑性降低
3、对断裂的影响
随应变速率的增加，材料发生脆断的趋势增加
Sf-Ss增加，材料的韧断趋势增加
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对脆性材料，随着应变速率的

增大，Ss增大，Sf变化不大，所
以脆性断裂的趋势增加
对于韧性材料，随着应变速率
的增大，Ss和Sf均增大，且增加
幅度相近，因而趋势变化不大，
但若存在缺陷，则脆性断裂的
趋势增加
冲击载荷
静载荷

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§2 冲击韧性
一、定义
 冲击载荷作用下材料吸收的塑性变形功和断裂功。
二、冲击试验
1、试样
一般为带缺口的矩形试样，常用的
是10×10×55
 梅氏试样（U形试样）
 夏氏试样（V形试样）
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2、原理
Ak=GH1-GH2=G(H1-H2)
Ak—冲击吸收功，单位J
A
 
F
k
k
N
αk—冲击韧性，单位J/cm3
FN—缺口面积
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三、关于Ak或αk的讨论
 缺口面上Ak的分布是不均匀的
 Ak不完全由缺口面吸收
 有缺口条件测出的结果不能代表无缺口试样的结果
 Ak是摆锤丧失的总的功，但未被材料完全吸收
 实际Ak=A1+A2+A3，韧性功Ap=A2+A3

A1—弹性功
A2—裂纹萌生
A3—裂纹扩展功
A1 A2 A3

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四、冲击宏观断口
冲击试样冲断后，断口由纤
维区、放射区（结晶区）与
剪切唇组成。
不同的试验温度下，三个区
域的相对面积是不同的。温
度下降，纤维区面积减小，
结晶区面积突然增大，材料
由韧变脆。
tk—结晶区面积占整个断口面积50%时的温度，记为50%
FATT或FATT50、t50。
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五、冲击韧性的作用
 评定材料的冶金质量及产品质量
 显示材料的脆性
重结晶脆性
Ak
红脆
蓝脆
以低碳钢为例
冷脆
T
500℃
200-400℃
Ac1 Ac3
 评定材料的应变时效敏感性
A   A 

 100%
A 
k
前
k
k
后
前
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§3 低温脆性
一、低温脆性现象
在低温下材料的脆性急剧增加
温度T逐渐降低到T1，材料由韧性状态逐渐转变为脆性
状态
浴盆曲线
事故率
1
6
12
月份
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二、原理（冷脆性产生的原因）
1、唯象学
 
f
强度

s
s

材料是韧性还是脆性取决于两者的差值
T＞T ， ＜ , 韧性断裂
k
s
f
T＜T ， ＜ , 脆性断裂
k
s
tk
f
温度
f
Tk—韧脆转变温度（DBTT）
2、微观机理
  k d
s
i

1
2
y
  B exp CT 
i
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三、Tk的评定
1、能量法
 NDT（Nil Ductility Temperature）
 FTP （Fracture Transition Plastic）
 FTE （Fracture Transition Elastic）
 CVM试样，V15TT，用于造船工业
 CVN试样，Akv=27J时所对应的温度
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2、断口形貌法
Tk—结晶区面积占整个断口面积
50%时的温度，记为50%FATT
或FATT50、t50。
b0
b1
3、变形法
b b
100%
b
0
1
0
临界值常取1%或3.8%，此方法用的较少
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四、Tk的影响因素
Ak
1、冶金质量
FCC
BCC、HCP
2、晶体结构
 通常BCC结构金属及其合金存在
低温脆性，FCC无明显的韧脆现象
BCC
T
3、化学成分（以钢铁为例）
 代位元素Mn、Ni使Tk降低
 间隙元素、杂质元素使Tk升高
 强碳化物形成元素Ti、Nb、V，当V≤0.06%、Ti≤0.04%，Nb≤0.0
3%时使Tk降低
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4、微观组织（以钢铁为例）
 Tk随晶粒尺寸的减小而降低
 板条M比针状M的Tk要低（位错形成阻力比孪晶小）
 下贝氏体比上贝氏体的Tk要低
 随着残余奥氏体的增加，Tk降低
 第二相对Tk的影响程度与第二相的大小、形状、
分布、第二相性质及其与基体的结合力等性质有关
5、外部因素
 加载速度越大，Tk就越大
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