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 de10
d
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。
应变速率对18Ni马氏体时效钢强度的影响
1.3 应变速率对塑性和韧性的影响
塑性、韧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。
应变速率对18Ni马氏
体时效钢塑性的影响应变速率对35CrNiMoV钢塑性的影响
二、冲击弯曲和冲击韧性
为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要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：
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
A K表示。
冲击弯曲试验标准试样
是U形或V形缺口，对
应的冲击吸收功分别记
冲击弯曲试验原理图为A KU和A KV
冲击吸收功A K的大小不能真正反映材料的韧脆程度：
原因：
缺口试样吸收的功没有完全用于试样变形和破断，一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。
通常试验时，这些功消耗可以忽略不计，但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功消耗较大，不同试验机上测得的A k值相差10-30%。
冲击弯曲试验的主要用途有两点：
(1) 控制原材料的冶金质量和热
加工后的产品质量
通过测量冲击吸收功和对样品
进行断口分析，可揭示原料中
的夹渣、气泡、严重分层、偏
析以及夹杂物超级等冶金缺陷；
检查过热、过烧、回火脆性等
锻造或热处理缺陷。
JB-S300数显冲击试验机
(2) 根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得A k与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。
三、低温脆性
3.1 低温脆性现象
定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特
别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t k时，会由韧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型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
低温脆性是材料屈服强
度随着温度的降低急剧
增加的结果。
σc 见右图，屈服点随着温
度的下降而升高，但材
料的解理断裂强度随着
温度的变化很小，两线
交点对应的温度就是韧
屈服强度和断裂强度随温度变化示意图
脆转变温度t k。
温度高于t k时，σc＞σs，材料先屈服后断裂，为韧性断裂；温度低于t k时，σc＜σs，材料先断裂，为脆性断裂；
t k时实际上是一个温度区间
3.2 韧脆转变温度
冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线A k急剧减小
拉伸试验，应力－应变曲线σs 急剧增加
试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线
（a）20钢和（b）15MnMoV在不同温度下的力－伸长曲线
（1）按能量法定义t k的方法
(a) 当低于某一温度，金属材料
吸收的冲击能量基本不随温度变
化，形成一个平台，该能量称为
“低阶能”。
t
: NDT(Nil ductility
K
temperature)无塑性或零塑性转变温度。
(b) 高于某一温度时，材料吸收
的能量基本不变，出现一个上平
台，称为“高阶能”。
t
: FTP
K
(Fracture transition plastic) 最保守
(c) 以低阶能和高阶能平均值对
各种韧脆转变温度准则应的温度定义t k，记为FTE
（Fracture Transition Elastic）。
（2）按断口形貌定义t k的方法
冲击断口形貌示意图
试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。
温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为t k，记为50%FATT或FATT50、t50。
（3）韧脆转变温度t k的工程意义
韧脆转变温度t k是韧性指标，可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。
机件的最低使用温度必须高于t k，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的△值，△=t0-t k，△值取40－60º。
对于受冲击载荷作用的重要机件，取60º；不受冲击载荷的非重要机件，取20º；中间者取40º。
一定条件下用试样测得的t k，由于和实际结构工况之间无直接联系，不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂。
原因：同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），t k也要变化。
3.3 落锤试验和断裂分析图（不要求）
四、影响韧脆转变温度的冶金因素
4.1 晶体结构
体心立方金属及其合金存在低温脆性。
普通中、低强度钢的基体是铁素体，此类钢具有明显的低温脆性。
面心立方金属及其合金一般认为无低温脆性。
高强度和超高强度体心立方结构钢，在很宽的温度范围内冲击值均较低，韧脆转变不明显。
原因：面心立方的屈服强度随温度的变化比体心立方小的多，当温度从室温降低到-196º时，体心立方的屈服强度增加3－8倍，面心立方只增加2倍。
材料性能学
4.2 化学成分
右图为在α-Fe中加入间隙元素
和置换元素对其韧脆转变温度
的影响
间隙溶质元素偏聚于位错线
附近，阻碍位错运动，提高t k。
置换元素（除Ni、Mn
外）一般也提高t k。
杂质元素S、P等偏聚于晶界，
产生沿晶脆性断裂，降低钢的
韧性。
（a）含碳量（b）合金元素对韧
脆转变温度的影响
4.3 显微组织
（1）晶粒大小
细化晶粒可使材料的
韧性增加
韧脆转变温度与
铁素体晶粒大小
的关系
原因：
(1) 晶界是裂纹扩展的阻力；
(2) 晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；
(3) 晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。
（2）金相组织
较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功A k与t k以马氏体高温回火（回火索氏体）
最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。
球化处理可改善钢的韧性。
在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则A k与t k优于同强度的淬火回火组织。
相同强度水平下，典型上贝氏体的t k优于下贝氏体。
在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂。
钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降，t k升高。
