3-金属在冲击载荷下的力学性能
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Mechanical Properties of Materials
3.3.2 韧脆转变温度
韧脆转变温度不是一个温度，而是一个温度区间。目前，尚无简 单的判据求韧脆转变温度tk，通常根据能量、塑性变形或断口形 貌随温度的变化定义tk。 ① FTP(Fracture Transition Plastic):得到100%纤维区断口的温 度（偏于保守），有时该测定不可能实现 ② NDT(Nil Ductility Temperature):低阶能（低于某一温度，冲 击吸收功不随温度的变化）开始上升的温度（低于此温度，冲击 断口为100%脆性解理断裂断口） ③ FTE(Fracture transition Elastic):低阶能和高阶能的平均值 所对应的温度 ④ FATT50(Fracture Appearance Transition Temperature):50%解 理断裂和50%塑性断裂所对应的温度
冲击断口的形貌
与拉伸试样一样，断口由纤维区、放 射区（结晶区）与剪切唇几部分
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韧脆转变温度
韧脆转变温度是金属材料的韧性指标，它反映了温度 对韧脆性的影响。 tk是从韧性角度选材的重要依据之一，但不能直接用来 设计计算机件的承载能力或截面尺寸 选用材料应具有一定的韧性温度储备
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（如下图） 。
tk或温度区间称为韧脆转变温度，又称冷脆转变 温度。
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材料的韧脆转变
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Mechanical Properties of Materials
低温脆性的本质
低温脆性是材料屈服强度随 温度降低急剧增加的结果。 屈服强度σs的随温度降低 而升高，而断裂强度σc随 温度变化很小。 t>tk,σc>σs,先屈服再断裂 t<tk,σc<σs,脆性断裂
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低碳铁素体-珠光体钢、低 合晶高强度钢也适用
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图 韧脆转变温度与铁素体晶粒直径的关系
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晶粒大小
研究发现，马氏体板条 束宽度、上贝氏体铁素 体板条束、原始奥氏体 晶粒尺寸与韧脆转变温 度之间也呈线性关系。 减小亚晶和胞状结构尺 寸也能提高韧性。
t0 tk
定义的方法不同，同一材料所得的tk也有差异，同一材 料，同一定义方法，由于外界因素的变化, tk也有变化。 所以，在一定条件下，用试样测得的tk ，因为和实际 结构工况之间无直接联系，不能说明该材料的机件一 定在该温度下脆断。
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断裂分析图
不同尺寸裂纹的σc-t曲线 解理断裂之前先发生塑性 变形，T>FTP时，无论裂 纹尺寸，断裂为剪切型 根据不同尺寸裂纹及应力水 平组合，裂纹可能扩展而致 脆性断裂，也可能不发生脆 性扩展
不同裂纹尺寸对 应的断裂应力 裂纹长度增加， σc下降
CAT，表示不同应 力水平线下脆性裂 纹扩展的终止温度 脆性裂纹不产生扩展
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3.4.2 化学成分 间隙溶质元素溶入铁 素体基体中，偏聚于 位错线附近，阻碍位 错运动，致σs升高， 钢的韧脆转变温度提 高。
图 合金元素对韧脆转变温度的影响
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3.4.3 显微组织 晶粒大小 细化晶粒使材料韧性 增加。铁素体晶粒直 径与韧脆转变温度的 关系，可用派奇公式 描述。
t k ln B ln C ln d
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冲击测量参数
测量冲击脆断后的冲击吸收功（AkU或AKV） 冲击吸收功并不能真正反映材料的韧脆程度（冲击吸收功 并非完全用于试样变形和破坏） 冲击吸收功对材料内部组织变化十分敏感，且试验简单易 行，仍被广泛的采用。
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此时在高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂。
(2)NDT＋33℃设计标准 (3)NDT＋67℃
对结构钢而言，FTE≈NDT＋ 33 ℃，适用于原子反应堆压力容器标准。 适用于全塑性断裂，在塑性超载条件 下，仍能保证最大限度的抗断能力，也适用于原子能原子反 应堆压力容器标准。
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3.2 冲击弯曲和冲击韧性（Notched-impact test）
为显示加载速率和缺口效应对金属材料韧 性的影响，需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 塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试 样的冲击吸收功AK表示。
图 马氏体板条束宽度与韧脆转变温度之间的关系
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冲击断口宏观形貌
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3.3 低温脆性
3.3.1 低温脆性现象
体心立方或某些密排六方晶体金属及合金，当试 验温度低于某一温度tk或温度区间时，材料由韧
断裂分析图
通过落锤试验求得的NDT可建立断裂分析图 (FAD)。断裂分析图表示许用应力、缺陷(裂 纹)和温度之间关系的综合图，它明确提供了 低强度钢在温度、应力和缺陷(裂纹)联合作 用下脆性断裂开始和终止的条件。
Hale Waihona Puke Fu Bin Shanghai Institute of Technology
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夏氏冲击和艾氏冲击
材料在冲击载荷下的力学性能与在静载荷下的力学 性能有很大的不同。在工程上常采用“冲击韧性”来 表示材料的冲击能力（检验材料对脆性力学行为的 敏感性）Susceptibility of materials to brittle behaviour
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不同转变温度的标准
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静载荷和冲击载荷塑性变形的对比
图 纯铁的应力－应变曲线
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1－冲击载荷 2－静载荷
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落锤试验法的不足
对脆性材料不能给予定量评定。因为试验使 用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需要研 究。此外板厚也没有考虑。
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Drop-weight test
半径为25mm的钢制圆柱 硬度不小于50HRC
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3 金属在冲击载荷下的力学性能
—— 应变速度、环境温度对材料力学性能的影响 材料韧脆性的评价方法
材料力学性能与材料本身的性质有关 韧性材料、脆性材料 韧脆的影响因素 1. 温度（低温脆性） 2. 应力状态（三向拉应力状态） 3. 变形速度的影响（冲击脆断）
韧、脆的相对性
韧脆的评价方法——材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性
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3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷和静载荷的主要区别，加载速率的不同。 应变率在10-4～10-2s-1，金属力学性能变化不大，可 按静载荷处理。 当应变率大于10-2s-1，金属力学性能发生明显变化。 应变率对弹性变形没有影响 应变率对塑性变形、断裂的影响显著
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3.3.2 韧脆转变温度
韧脆转变温度不是一个温度，而是一个温度区间。目前，尚无简 单的判据求韧脆转变温度tk，通常根据能量、塑性变形或断口形 貌随温度的变化定义tk。 ① FTP(Fracture Transition Plastic):得到100%纤维区断口的温 度（偏于保守），有时该测定不可能实现 ② NDT(Nil Ductility Temperature):低阶能（低于某一温度，冲 击吸收功不随温度的变化）开始上升的温度（低于此温度，冲击 断口为100%脆性解理断裂断口） ③ FTE(Fracture transition Elastic):低阶能和高阶能的平均值 所对应的温度 ④ FATT50(Fracture Appearance Transition Temperature):50%解 理断裂和50%塑性断裂所对应的温度
冲击断口的形貌
与拉伸试样一样，断口由纤维区、放 射区（结晶区）与剪切唇几部分
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韧脆转变温度
韧脆转变温度是金属材料的韧性指标，它反映了温度 对韧脆性的影响。 tk是从韧性角度选材的重要依据之一，但不能直接用来 设计计算机件的承载能力或截面尺寸 选用材料应具有一定的韧性温度储备
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（如下图） 。
tk或温度区间称为韧脆转变温度，又称冷脆转变 温度。
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材料的韧脆转变
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低温脆性的本质
低温脆性是材料屈服强度随 温度降低急剧增加的结果。 屈服强度σs的随温度降低 而升高，而断裂强度σc随 温度变化很小。 t>tk,σc>σs,先屈服再断裂 t<tk,σc<σs,脆性断裂
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低碳铁素体-珠光体钢、低 合晶高强度钢也适用
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图 韧脆转变温度与铁素体晶粒直径的关系
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晶粒大小
研究发现，马氏体板条 束宽度、上贝氏体铁素 体板条束、原始奥氏体 晶粒尺寸与韧脆转变温 度之间也呈线性关系。 减小亚晶和胞状结构尺 寸也能提高韧性。
t0 tk
定义的方法不同，同一材料所得的tk也有差异，同一材 料，同一定义方法，由于外界因素的变化, tk也有变化。 所以，在一定条件下，用试样测得的tk ，因为和实际 结构工况之间无直接联系，不能说明该材料的机件一 定在该温度下脆断。
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断裂分析图
不同尺寸裂纹的σc-t曲线 解理断裂之前先发生塑性 变形，T>FTP时，无论裂 纹尺寸，断裂为剪切型 根据不同尺寸裂纹及应力水 平组合，裂纹可能扩展而致 脆性断裂，也可能不发生脆 性扩展
不同裂纹尺寸对 应的断裂应力 裂纹长度增加， σc下降
CAT，表示不同应 力水平线下脆性裂 纹扩展的终止温度 脆性裂纹不产生扩展
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3.4.2 化学成分 间隙溶质元素溶入铁 素体基体中，偏聚于 位错线附近，阻碍位 错运动，致σs升高， 钢的韧脆转变温度提 高。
图 合金元素对韧脆转变温度的影响
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3.4.3 显微组织 晶粒大小 细化晶粒使材料韧性 增加。铁素体晶粒直 径与韧脆转变温度的 关系，可用派奇公式 描述。
t k ln B ln C ln d
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冲击测量参数
测量冲击脆断后的冲击吸收功（AkU或AKV） 冲击吸收功并不能真正反映材料的韧脆程度（冲击吸收功 并非完全用于试样变形和破坏） 冲击吸收功对材料内部组织变化十分敏感，且试验简单易 行，仍被广泛的采用。
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此时在高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂。
(2)NDT＋33℃设计标准 (3)NDT＋67℃
对结构钢而言，FTE≈NDT＋ 33 ℃，适用于原子反应堆压力容器标准。 适用于全塑性断裂，在塑性超载条件 下，仍能保证最大限度的抗断能力，也适用于原子能原子反 应堆压力容器标准。
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3.2 冲击弯曲和冲击韧性（Notched-impact test）
为显示加载速率和缺口效应对金属材料韧 性的影响，需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 塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试 样的冲击吸收功AK表示。
图 马氏体板条束宽度与韧脆转变温度之间的关系
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冲击断口宏观形貌
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3.3 低温脆性
3.3.1 低温脆性现象
体心立方或某些密排六方晶体金属及合金，当试 验温度低于某一温度tk或温度区间时，材料由韧
断裂分析图
通过落锤试验求得的NDT可建立断裂分析图 (FAD)。断裂分析图表示许用应力、缺陷(裂 纹)和温度之间关系的综合图，它明确提供了 低强度钢在温度、应力和缺陷(裂纹)联合作 用下脆性断裂开始和终止的条件。
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夏氏冲击和艾氏冲击
材料在冲击载荷下的力学性能与在静载荷下的力学 性能有很大的不同。在工程上常采用“冲击韧性”来 表示材料的冲击能力（检验材料对脆性力学行为的 敏感性）Susceptibility of materials to brittle behaviour
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13
Mechanical Properties of Materials
不同转变温度的标准
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静载荷和冲击载荷塑性变形的对比
图 纯铁的应力－应变曲线
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1－冲击载荷 2－静载荷
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落锤试验法的不足
对脆性材料不能给予定量评定。因为试验使 用动载荷，其结果能否用于静载荷尚需要研 究。此外板厚也没有考虑。
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Drop-weight test
半径为25mm的钢制圆柱 硬度不小于50HRC
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3 金属在冲击载荷下的力学性能
—— 应变速度、环境温度对材料力学性能的影响 材料韧脆性的评价方法
材料力学性能与材料本身的性质有关 韧性材料、脆性材料 韧脆的影响因素 1. 温度（低温脆性） 2. 应力状态（三向拉应力状态） 3. 变形速度的影响（冲击脆断）
韧、脆的相对性
韧脆的评价方法——材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性
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3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
冲击载荷和静载荷的主要区别，加载速率的不同。 应变率在10-4～10-2s-1，金属力学性能变化不大，可 按静载荷处理。 当应变率大于10-2s-1，金属力学性能发生明显变化。 应变率对弹性变形没有影响 应变率对塑性变形、断裂的影响显著
