Transcript 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
冲击载荷的特点
1、冲击载荷加载速率高，而静载荷加载速率低。
2、在冲击载荷下，冲击应力不仅与零件的断面积有关，
而且与其形状和体积有关。若零件不含切口，则冲击能
被零件的整个体积均匀地吸收，从而应力和应变也是均
匀分布的；零件体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，
零件所受的应力和应变也愈小。若零件中有切口，则切
口根部单位体积将吸收更多的能量，使局部应变和应变
速率大为升高。
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
冲击韧性:材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。用能
量定性地表示材料的力学性能特征的物理量。
一、冲击弯曲试验
摆锤式冲击试验机
①原理：
将试样水平放置在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。
试验时，将摆锤置于H1位置，位能GH1，释放摆锤冲断
试样后，剩余能量GH2，则GH1-GH2即为试样变形和断
裂吸收的功—冲击吸收功AK，单位“J”。
试样冲断时所消耗的冲击功A k为:
A k = m g H1 – m g H2 (J)
2、 多次冲击试验
当冲击次数少于500~1000次，试样断裂规律与一次冲击
相同.
当冲击次数大于（N）>105时，断口具有典型的疲劳断口
特征，因此应进行小能量的多次冲击试验。
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，600周次/min，冲击能量0.1~1.5J
可调。
冲击功A-冲断次数N曲线，A↑→N↓。
二、冲击韧性及其工程意义
1、 一次冲击
① 冲击韧度
AKV  AKU 
2
 KV  KU  
J / cm
FN
FN缺口处截面面积
αk表示单位面积的平均冲击功值。
αk是一个综合力学性能指标，与材料的强度和塑性有关。
②
一
次
冲
击
弯
曲
试
验
的
用
途
a、检查金属的冶金质量和热加工质量
缺陷：气孔、夹杂、偏析、分层、过热、
过烧、回火脆性等。
b、测定材料的冷脆性转变温度， Ak ～T曲线
c、σs相近的材料，根据Ak值评定材料对大能
量冲击破坏的缺口敏感性。
d、反映材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力，
对某些在特殊条件下服役的零件，如弹壳、防弹甲板
等，具有参考价值；
2、 多次冲击
①衡量指标：冲击能量A～冲击次数N。
②材料对多次冲击的抗力取决于以下因素：
a、冲击能量高时，材料的抗多次冲击能力主要取决于
塑性；冲击能量低时，材料抗多次冲击能力则主要取决
于强度。
大多数受多次冲击载荷作用的零件属于小能量冲击，
因此强度是影响零件寿命的主要因素。
35钢：经200℃、500℃回火后的多冲击曲线，两条曲线在
102周次左右相交。交点以左，经500℃回火钢塑性高、
强度低，其冲击疲劳抗力高，寿命长；交点以右，冲击
能量低时，经200℃回火钢塑性低, 强度高，其冲击疲劳
抗力高，寿命长。
回火：当把钢中的马氏
体加热到共析温度下的
某一温度时，就会沉淀
出稳态的α相和Fe3C，
这种处理称为回火。
b、不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合
图为40钢在不同能量下的冲断次数与回火温度关系曲线，
曲线有峰值，且峰值随冲击能量的增大，向高温方向移动。
表明：不同冲击能量下，欲使
寿命提高，需不同的强度—塑
性配合。
锻锤锤杆：45Cr 油淬+650℃
回火 ，αk高，塑性高，强度
低，易折断，寿命低。
改用盐水淬火+350～500℃中
温回火，强度提高， αk与塑性
降低，使用寿命明显提高。
c、 αk值对冲击疲劳抗力的影响
材料强度不同，塑性和冲击韧性对冲击疲劳抗力的
影响不同。
ⅰ、高强度钢、超高强钢，塑性和冲击韧性作用大。
ⅱ、中、低强度钢，塑性、冲击韧性作用不大，
因为中、低强度钢的冲击韧性已经较高。
四、冲击脆化效应
弹性变形以声速在介质中传播，在金属介质中声速很大
4982m/s，而普通摆锤冲击试验时，绝对变形速度只有
5～5.5m/s，冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化，
因而应变速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、断裂有显著影响。
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，使滑移临界切应力增大，金
属产生附加强化。使许多位错源同时开动，抑制了单晶
体的滑移，同时，冲击载荷增加位错密度，出现孪晶，
减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷的浓度，
塑性变形不均匀等等，这些都使金属塑性受到抑制
бs↑↑，бb↑→冲击脆化。
材料塑性与应变速率之间并无单值依存关系一般，
缺口试样冲击试验时的塑性低于静载试验 高速变
形时，某些金属可能显示高塑性。
如密排六方金属的爆炸成型
第二节 低温脆性
一、系列冲击实验与低温脆性
1、系列冲击实验：不同温度下对同一种材料进行冲击
实验。分别在低温、室温和高温下对材料进行冲击实验，
得到不同温度下材料的系列冲击值Ak（或αk），从而
获得Ak—t，或αk—t曲线。
2、低温脆性
体心立方、密排六方金属或合金在温度低于tk时，由
塑韧性状态变为脆性状态，Ak↓↓的现象，称为
低温脆性。
材料发生冷脆性转变的温度→冷脆性转变温度tk
材料低温脆性的产生：与бs、бc随温度变化有关
① t>tk，бc>бs
② t<tk，бc<бs
金属先屈服后断裂，即韧性断裂。
金属还没有屈服及发生断裂，即脆性断裂。
面心立方金属бs随温度变化不大，
故在很低温度下仍未与бc曲线相
交，故不表现低温脆性现象。
奥氏体不锈钢可以用作低温钢
二、冷脆性转化温度及其评价方法
韧性
材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和
塑性的综合体现。因而在特定条件下，能量、强度和塑性
都用来表示韧性。
所以依照试样断裂消耗的功，断裂后塑性变形的大小及断
口形貌均可确定tk。
1、按能量法定义冷脆性转变温度tk
能量、强度、塑性都可用来表示tk
当低于某一温度时材料吸收的
冲击能量基本不随温度而变化，
形成一平台（低阶能），以低
阶能开始上升的温度定义tk，
NDT—nil ductility temperature，
即无塑性（零塑性）转变温度。
在 NDT以下，断口有100%
结晶区（解理区）组成。
2、当温度高于某一温度时，材料吸收的能量基本不变，
形成一个平台（高阶能），以高阶能对应的温度定义为
tk，FTP（fracture transition plastic）。
高于FTP的断裂，
断口为100%的纤维状断口。
该定义tk的方法，
最为保守。
3、以高阶能和低阶能的平均值对应的温度定义tk，
FTE（fracture transition elastic）。
4、以Akv=15呎磅（20.3N·m）
对应的温度定义tk， V15TT。
根据实践经验，若冲击韧性大
于15呎磅或在V15TT以上工作，
低碳钢船用钢板就不会发生脆
性断裂。
5、冲击试样断裂后，断口形貌如图
缺口分为纤维区，放射区（结晶区）和剪切区，在不同
温度下，三个区的相对面积是不同的。
温度下降到某一临界值时，纤维
区面积突然减少，结晶区面积突
然增大→材料由韧变脆，当结晶
区面积占整个断口面积50%时的
温度定义为tk，50%FATT或
FATT50（fracture appearance
transition temperature）
50%FATT反映了裂纹扩展变化
特征，可以定性评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的
能力。
冷脆性转变温度 tk 反映了温度对材料韧、脆性的影响，
也是一种安全性指标。
t工作>tk，机件安全
余量:Δ=t0-tk，取20～60℃
对于受冲击载荷的重要零件， Δ取上限；
不受冲击载荷作用的非重要零件， Δ取下限
三、影响材料低温脆性的因素
1、晶体结构的影响
体心立方、密排六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。
产生原因
迟屈服现象，б>бs高速加载，体心立方金属瞬间并不
屈服，经过一段时间后才发生屈服，且温度越低，持续
时间越长（不屈服，就不能削减应力峰值），这为裂纹
的发生和扩展创造了有利条件。
2、化学成分的影响
① 间隙溶质元素含量增加， 晶格畸变程度加大，位错
运动阻力提高,屈服强度升高，脆性增大，韧脆转变温度
提高。
② 置换型溶质元素影响较小（也提高冷脆性转变温度）。
③ 杂质元素S、P、Pb、Sn、As偏聚于晶界，产生
沿晶脆性断裂，提搞了冷脆性转变温度。
3、显微组织的影响
① 细化晶粒，可提高材料的韧性，冷脆性转变温度下降。
原因
晶界是裂纹扩展的阻力；晶界增多有利于降低应力集中，
降低晶界上杂质度，避免产生沿晶界脆性断裂。
铁素体：碳原子溶入到α-Fe的八面体间隙内形成的间隙
式固溶体。
奥氏体：碳原子溶入到fcc的γ-Fe中的八面体间隙内形
成的间隙式固溶体。
渗碳体：是铁和碳形成的稳定化合物Fe3C.
贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体
为基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、
韧性的最佳组合。
较高温度下形成上贝氏体，粗大。
较低温度下形成下贝氏体，细小。
马氏体：含碳低于0.2%的钢，在淬火或快冷条件下，
FCC的奥氏体转变为马氏体。无韧性，硬。
回火马氏体：十分细小的渗碳体在铁素体中的混合物，
是在马氏体形成之后重新加热时形成的。比马氏体韧
性改善。
回火索氏体(tempered martensite)是马氏体于回火时形成
的，是铁素体与粒状碳化物的混合物 。
贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体为
基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、韧性
的最佳组合。
较高温度下形成上贝氏体，粗大
较低温度下形成下贝氏体，细小
② 金相组织
a、较低强度水平（低碳钢），回火索氏体最好tk↓↓，
下贝氏体组织次之tk↓，层片状珠光体最差tk↑。
b、中、高碳钢，等温淬火→下贝氏体组织tk↓↓，
优于淬火+回火→回火马氏体组织。
c、相同强度水平，上贝氏体的tk高于下贝氏体组织
（低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性）。
d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体
的混合组织，其韧性比单一贝氏体或单一马氏体组织好。
晶粒细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变
方向（多裂纹陶瓷相似）消耗能量较大，故钢的韧性较高。
e、马氏体钢中存在稳定的残余奥氏体，可抑制解理断
裂，从而显著改善钢的韧性。
f、 第二相的影响取决于第二相的形状、尺寸、分布状态、
第二相本身的性质以及与基体的结合力。
第二相以球状、细小、均匀分布→tk↓，
韧性较好
4、温度的影响
蓝脆
碳钢、合金钢在一定温度范围内出现脆性，而在该温
度范围内，钢表面氧化为蓝色，故称为蓝脆。
静拉伸： 蓝脆的温度范围为230～370℃。
冲击载荷：蓝脆的温度范围为525～550℃。
5、加载速率的影响
提高加载速率，其作用如同降低温度，使材料脆性增大，
冷脆性转变温度提高。
加载速率对 tk的影响与钢的强度水平有关
① 中、低强度钢的 tk对加载速率比较敏感。
② 高强度和超高强度钢的 tk对加载速率的敏感性较小。
6、试样形状和尺寸的影响
缺口曲率半径越小，tk越高，即V缺口试样的tk高于U
缺口试样。
不改变缺口尺寸，只增加试样的厚度时，tk升高；试样
各部分尺寸按比例增大时，tk升高。
试样尺寸增大，应力状态变硬，且缺陷增多，
脆性增大→tk↑。
作 业
第三章
1、名词解释：冲击吸收功；低温脆性；冷脆性转
变温度（韧脆转变温度）
2、用图说明体心立方（密排立方）金属的低温脆
性现象。
3、影响材料低温脆性的因素有哪些？