金属在冲击载荷下的力学性能

金属行业金属材料的力学性能测试方法金属材料的力学性能测试是金属行业中非常重要的一项工作，它可以用来评估金属材料的力学性能，帮助我们了解这些材料在实际应用中的表现和可靠性。

本文将介绍几种常用的金属材料力学性能测试方法，并对其原理和应用进行详细说明。

一、拉伸试验拉伸试验是测量金属材料在拉伸过程中的力学性能的一种常用方法。

它通过施加拉伸载荷并记录应力和应变的变化来评估材料的强度、延展性和韧性等指标。

在拉伸试验中，常用的测试参数包括屈服强度、断裂强度、断裂延伸率等。

二、硬度测试硬度测试是评估金属材料硬度的方法之一，它可以用来衡量金属材料抵抗形变和破坏的能力。

常见的硬度测试方法有洛氏硬度测试、巴氏硬度测试和维氏硬度测试等。

这些测试方法都通过施加一定压力并测量材料表面的印痕或弹痕来评估材料的硬度。

三、冲击试验冲击试验是评估金属材料在受冲击载荷下的抗冲击性能的方法之一。

常用的冲击试验方法包括冲击弯曲试验和冲击拉伸试验等。

这些试验通过施加冲击力并记录材料的断裂形态和断裂能量来评估材料的韧性和抗冲击能力。

四、压缩试验压缩试验是测量金属材料在受压载荷下的力学性能的方法之一。

它可以用来评估金属材料的强度、稳定性和抗压能力等指标。

在压缩试验中，常用的测试参数包括屈服强度、最大压缩应力和压缩模量等。

五、扭转试验扭转试验是测量金属材料在扭转载荷下的力学性能的一种常用方法。

它可以用来评估金属材料的刚度、强度和韧性等指标。

在扭转试验中，通过施加扭矩并记录应力和应变的变化来评估材料的扭转性能。

总结：金属行业中，对金属材料的力学性能进行测试是非常重要的工作。

本文介绍了几种常用的金属材料力学性能测试方法，包括拉伸试验、硬度测试、冲击试验、压缩试验和扭转试验等。

通过这些测试方法，我们可以全面了解金属材料的力学性能，为金属行业的生产和应用提供科学的依据。

在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的测试方法，以确保金属材料的安全可靠性。

韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标。

①冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收冲击功的能量大小，它表示材料对冲击负荷的抗力。

目前均采用冲击吸收功AKV表示，单位J试样：U型缺口—时效冲击时用V型缺口 AKV表示，V型缺口在锅炉压力容器的检验中应用较多。

时效冲击将试件拉伸残余变形10%（低碳钢），5%（低合金钢）后加热250° 10℃保温一小时后再作冲击，试验采用U型缺口，得出a kus时效冲击值。

（1）脆性转变温度：T k我们把使材料的冲击韧性显著降低的温度叫做脆性转变温度。

因为冲击韧性与试验温度有关，材料在低温下会出现由塑料状态转变为脆性状态，冷脆性转变温度的高低是金属材料质量指标之一。

冷脆转变温度越低的材料其材料的低温冲击性能越好，北方寒冷地区必须具有更低的冷脆转变温度才能保证安全，所以在-20℃以下的地区所有焊件都要求低温冲击韧性。

冷脆温度的测定目前可使用三种方法：①能量准则法②断口形貌准则法③落锤试验法所测试样发生脆性断裂的最高温度称为无塑性转变温度NDT。

钢材的最低允许工作温度应高于无塑性转变温度。

（注意与NDT无损探伤试验相区别）试样在冲击断裂过程中是一个裂纹发生和发展的过程，如果塑变能够发生在断裂的前面，阻止裂纹的扩展而裂纹的继续发展就需要消耗更多的能量。

因此冲击韧性的高低取决于材料有无迅速塑性变形的能力。

a k值对材料内部组织及缺陷较其他方法更为敏感，能够灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的变化。

此外冲击实验迅速、方便，所以是质量检验的有效方法。

例如：对白点、温度敏感（时效冲击）。

②断裂韧度由于在高强度材料中时常发生低应力脆性断裂。

实际上材料远非是均匀的、连续的各向同性的其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等缺陷可看作是裂纹，在外力作用下，在裂纹尖端附近便出现应力集中，根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，应力场的强弱主要取决与一个力学参数——应力强度因子K I当拉应力逐渐增大或裂纹逐渐扩展时，K I也随之增大，当K I增大到某一临界值时，试样中的裂纹会突然失稳扩展，导致断裂。

材料性能学1一14周第三章金属在冲击载荷下的力学性能许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,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。

冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。

形变速率：单位时间的变形量。

加载速率提高，形变速率也增加。

相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。

冲击载荷2－104s-1 de10d静载荷10-5－10-2s-1一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点冲击载荷下，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。

冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。

应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。

金属材料在冲击载荷下难以发生塑性变形。

1.1 应变速率对塑性变形的影响金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因：1. 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。

2. 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。

纯铁的应力－应变曲线1－冲击载荷1.2 应变速率对强度的影响2－静载荷静载荷作用时：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。

一、实验目的1. 了解金属冲击试验的基本原理和方法。

2. 通过冲击试验，测定金属在不同温度下的冲击吸收功，分析其冲击韧性和韧脆转变温度。

3. 比较不同金属的冲击性能，为金属材料的应用提供参考。

二、实验原理金属冲击试验是一种常用的力学性能试验方法，用于测定金属在冲击载荷作用下的力学性能。

冲击试验原理如下：1. 冲击试验采用摆锤冲击试验机进行，摆锤的势能转化为试样的冲击能，使试样在冲击过程中产生断裂。

2. 试样在冲击过程中吸收的能量称为冲击吸收功（Ak），其计算公式为：Ak = 1/2 mgh，其中m为摆锤质量，g为重力加速度，h为摆锤高度。

3. 通过测定冲击吸收功，可以分析金属的冲击韧性和韧脆转变温度。

三、实验材料与设备1. 实验材料：低碳钢、T8钢、工业纯铁。

2. 实验设备：金属摆锤冲击试验机、游标卡尺、温度计、冲击试样。

四、实验步骤1. 准备试样：将实验材料加工成标准冲击试样，试样尺寸符合GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》的要求。

2. 设置试验参数：根据实验要求，调整冲击试验机的摆锤能量和冲击速度。

3. 进行冲击试验：将试样放置在冲击试验机的支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间。

调整摆锤高度，使摆锤获得一定的势能，然后释放摆锤进行冲击试验。

4. 测量冲击吸收功：记录摆锤冲击试样后剩余的高度，计算冲击吸收功。

5. 测量试样温度：在冲击试验过程中，实时测量试样温度，分析金属的韧脆转变温度。

五、实验结果与分析1. 冲击吸收功：根据实验数据，绘制不同金属在不同温度下的冲击吸收功曲线，分析其冲击韧性和韧脆转变温度。

2. 冲击韧度：根据冲击吸收功，计算不同金属的冲击韧度，比较其冲击性能。

3. 韧脆转变温度：根据冲击吸收功曲线，确定不同金属的韧脆转变温度。

六、实验结论1. 低碳钢、T8钢和工业纯铁在不同温度下的冲击吸收功存在明显差异，说明不同金属的冲击性能存在差异。

2. 低碳钢的冲击韧度最高，T8钢次之，工业纯铁最低。

第4章金属在冲击载荷下的力学性能◆4.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点◆4.2 冲击弯曲和冲击韧性◆4.3 低温脆性◆4.4 影响韧脆转变温度的冶金因素许多机器零件在实际工作中要受到冲击载荷的作用，如冲床、锻锤、汽车行驶通过道路上的凹坑、飞机起飞和降落等。

冲击载荷属于动态载荷，而且，温度降低和加载速度提高都会增加材料的脆断倾向。

本章主要讨论冲击载荷作用下材料的性能评定和冷脆倾向及其影响因素。

4.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、加载速率冲击载荷与静载荷的主要区别：加载速率不同 加载速率：载荷施加于机件的速率，用单位时间内增加的应力表示(σ=d σ/dt )，单位为MPa/s 。

冲击载荷加载速率佷高静载荷加载速率低形变速率：单位时间内的变形量。

加载速率↑，形变速率↑二、形变速率用形变速率可以间接地反映加载速率。

表示方法绝对形变速率：单位时间内试件长度的增长率V =dl /dt ，单位为m/s相对形变速率(应变速率)：单位时间内应变的变化量de d ετ∙=（e —真应变）三、加载状态划分现代机械中，不同机件的应变速率范围：10−6/s ~106/s •静载：应变速率在 ≤ 10−5/s 范围，金属材料的力学性能变化不明显；•准静态： ＝10−5/s ~ 10−2/s （相当于静载）；•动态： ≥ 10−2/s ，金属材料的力学性能变化明显。

必须考虑加载速度对力学性能的影响。

ε∙ε∙ε∙静拉伸试验 ：10−5/s ~ 10−2/s冲击试验 ： 102/s ~ 104/s四、形变速率对弹性变形的影响弹性变形受应变速率影响不大原因：弹性变形传播速度较快，是以声速在介质中传播；普通摆锤冲击试验时绝对变形速度：5~5.5m/s冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化因此，弹性变形可以及时响应冲击载荷。

应变速率对金属的弹性行为及弹性模量不会产生影响。

五、形变速率对塑性变形的影响形变速率对塑性变形及断裂过程有显著影响。