材料力学性能（第2版）第三章金属在冲击载荷下的力学性能.ppt

第三章　金属在冲击载荷下的力学性能 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 加载速率对力学性能的影响 增加应变速率，抗拉强度随之增加 ，塑性随之下降。 当应变速率在10－4~10－2S －1内，金属力学性能变化不大 当应变速率大于10－2S-1，发生显著变化。 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 冲击载荷下金属变形 冲击弯曲和冲击韧性 低温脆性 影响韧脆转变温度的冶金因素 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 §1 冲击载荷下金属变形 一、冲击载荷的特点 ★冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能，所以机件、与机件相连物 体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。 ★由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 二、冲击载荷下变形和断裂 1. 弹性变形： 弹性变形在金属中传播速度很快，接近声速(钢中为4982m/s)。普通冲击试验时变形速度只有5 ~ 5.5m/s，高速冲击试验的变形速度也在103 m/s以下。所以，变形速度对金属的弹性形变行为及性能基本无影响。 2. 塑性变形及断裂 ★塑性变形是位错运动的结果。由于加载时间及载荷持续时间非常短暂，所以作用力很大，作用于位错上的力很大。 §1 冲击载荷下金属变形 a.由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段 的产生与发展; b.冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加 了点缺陷的浓度。 静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中。 冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀。 这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高和塑性的降低。 冲击载荷下变形和断裂 ★塑性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关： 如果在一定加载条件及温度下，材料产生正 断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率 的增加而减小； 如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率 提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 §2　冲击弯曲和冲击韧性 一、冲击试验方法和原理 1.试样 10mm×10mm× 55mm的U型或V型缺口试样，分别称为夏比(Charpy)U 型缺口试样和夏比V型缺口试样。习惯上前者又简称为梅氏试样，后者为夏氏试样。 梅氏试样 夏氏试样 对陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料，采用10mm×10mm×55mm的无缺口试样。 试样开缺口的目的：使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围 内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。缺口 愈深、愈尖锐，冲击吸收功愈低。 §2　冲击弯曲和冲击韧性 2.试验方法及原理 §2　冲击弯曲和冲击韧性 二、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功和断裂功的能力。 常用标准试样的冲击吸收功 AK 表示。 用试样缺口处的截面积SN (cm2)去除AKV (AKU )，即可得到试样的冲击韧性或冲击值 1. AK和ak的意义 AK:冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收总能量。 AK ＝试样变形、破裂吸收能量＋试样掷出功＋机座振动功等等 二、冲击韧性 AK相同的材料，其韧性不一定相同。 包括试样在冲击断裂过程中吸收的弹性变形功、塑性变 形功和裂纹形成及扩展功等。简单的冲击试验不能 将这些不同阶段消耗的功区分开来，因此冲击功只 能是一种混合的韧性指标，在设计中不能定量使用。 对组织缺陷非常敏感，可以灵敏地反 映出材料品质、宏观缺陷及显微组织的微小变化 2.冲击试验的应用 只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标。只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换 到具体零件上进行定量计算 ak=Ak/FN无明确物理意义 冲击弯曲截面应力分布不均，塑性变形不均, 主要集中于缺口附近，吸收功也集中于此。 二、冲击韧性 缺口冲击弯曲试验主要用于揭示材料的变脆倾向 1) 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 2）根据系列冲击试验(低温冲击试验)评定材料的冷脆倾向， 供选材时参考或用于抗脆断设计。 4）利用Charpy V缺口冲击试验试样尺寸小、加工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立冲击功与其他力学性能指标 间的联系，代替较复杂的试验如KIC。 3）对于σs大致相同的材料，用AKV （AKU ）可以评定材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 §3　低温脆性 二战中，美国5000艘全焊接“自由轮”。在