材料性能与测试课件-第三章材料的冲击韧性和低温脆性

24
图3-8 落锤实验设备
25
落锤试验法的缺点：对脆性断裂不能定量 评定。没有考虑板厚的影响。 通过落锤式试验求得的NDT可以建立断裂 分析图FAD. 分析图FAD是应力、缺陷和温度之间关系 的综合图。它可以明确提供低强度钢构 件在温度、缺陷和应力作用下脆性断裂 开始和终止条件。
Ni
wt%
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2
图3-8 合金元素对钢韧脆转变温度的影响
15
3)．显微组织的影响：细化晶粒增加韧性，降低tk； 例如：回火索氏体的冲击吸收功和tk最佳，回火贝氏 体次之，片状珠光体最差；
淬火马氏体
低温回火马氏体
16
中温回火屈氏体
高温回火索氏体
图3-6 含锰1.39%低碳钢板系列冲击试验结果 (a) 冲击值-温度曲线；(b) 断口纤维区面积%-温度曲线； (c) 载荷-挠度曲线及断口形貌
13
韧脆转变温度tk反映了温度对韧脆性的影响，它是 安全性能指标，是从韧性角度选材的依据之一。 对于在低温服役的材料，最低使用温度高于tk，二 者之差愈大愈安全(差20－60℃)。
6
冲击载荷下，塑性变形集中在某些局部区域，极不均匀。 冲击载荷下：应力水平较高，许多位错源同时启动，抑制易滑移阶段 的产生和发展；增加位错密度，减少位错运动自由行程增加点缺陷浓 度等。导致强度提高。 塑性与韧性随应变率增加而变化的特征与断裂方式有关。正断：减少； 剪断：不变或提高。
二、冲击韧性
1.一次冲击 (1)冲击韧度或冲击值a KU(aKV): 用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKU(AKV)。即 aKU(aKV)＝AKU(AKV)/FN (2)冲击功: GH1-GH2=AK (3)工程意义: ①反映出原始材料的冶金质量和热加工产品质量；分析 断口判断缺陷； ②测定材料的韧脆性转变温度； ③对σs大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能 量冲击破坏的缺口敏感性。
5
图3-1 冲击试验机、试样和原理图
2. 多次冲击试验 冲击次数小于500－1000次， 试样断裂规律和一次冲击相同； 冲击次数大于105次时，试 样破坏具有典型的疲劳断口特 征，冲击损伤积累结果。 A－K曲线：冲击功和冲断 次数曲线，反比关系
A 冲击功
冲断周数 K
3、变形断裂特点
图3-2 多次冲击曲线

17
低温脆性的危害
发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法 加以阻止，无任何征兆。 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城 先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材 料的冷脆造成的。 1912年当年最为豪华、号称永不沉没Titanic首航沉没于冰 海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。左面的试样取 自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。 由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特 别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
8
三、冲击脆化效应
冲击载荷和静载荷失效相同点： 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂． 冲击载荷和静载荷失效不同点： 变形速率不同； 冲击载荷主要表现为脆性（脆化）； 塑性变形主要集中在局部区域。 冲击脆化主要原因-塑性变形难以充分进行，集中在局部区域： (1)应变速率。 应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响， 而对塑性变形、断裂等有显著的影响。 (2)冲击载荷。 使金属产生附加强化； 增加位错密度和滑移系数目，出现孪晶， 减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷浓度等。
图3-7 铁素体(体心立方)、奥氏体(面心立方)和奥氏体钢
14
3、影响材料低温脆性的因素
1)．晶体结构的影响：bcc、hcp有，fcc没有 原因：加载后屈服速度差别。前者有迟屈服现象 2)．化学成分的影响：见下图
200 韧脆转变温度/℃ P C Cr Cu Mn Si
150
100 50 0 -50 -100
7
2.多次冲击 (1)某种冲击能量A下的冲断周次N； (2)要求的冲击工作寿命N时的冲断能量A。 (3)多冲抗力取决于塑性和强度： ①A高时，多次冲击抗力主要取决于塑性； A低时，多冲抗力主要取决于强度。 ②不同的A要求不同的强度与塑性配合。 ③高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高 冲击疲劳抗力有较大作用； 而中、低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲 劳抗力作用不大。
材料性能与测试
中南大学粉末冶金研究院 课件制作：曾凡浩
主讲：曾凡浩
(zengfanhao608@)
2
§目 录
许多机件工具模具受冲击载荷作用，如火箭的 发射、飞机的起飞降落、材料锻冲加工、防弹材料 等，本章介绍材料承受冲击载荷的实验方法、特点 及指标。
§3.1 冲击弯曲实验和冲击韧性 §3.2 低温脆性
图3-4 韧脆转变温度判据
11
(2) FTP(fracure transition plastic)： ①高阶能：高于某温度，吸收的能量基本不变，形成上平台。 ②以高阶能对应的温度为tk (即FTP)。高于FTP的断裂，得到 100％的纤维状断口。 (3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应 的温度。 (4) V15TT：以AKV=20.3N· m对应的温度。
4
§3.1 冲击弯曲实验与冲击韧性
一、冲击弯曲实验
1.一次冲击弯曲试验
试验原理：摆锤式冲击试验机； 缺口试样[U型和V型]； 举至H1的位臵(位能为GH1)－ 释放摆锤－冲断试样－摆锤至 H2的位臵(位能为GH2)； GH1-GH2=AK 此即为冲击吸收功(AKU和 AKV)。 测试标准：GB229-84和 GB2106-80。
图3-5 拉伸断口和冲击 断口的形貌示意图
时的温度为tk 。
12
在10℃时，断口为 100％纤维区，冲 击值很高，韧性状 态；温度降到－ 25℃时，冲击值下 降一半，断口也出 现将近一半的结晶 区，处在韧性向脆 性转折的过渡状态； 当温度再降低至－ 80℃时，冲击值非 常低，断口为100 ％的结晶区，为完 全脆性状态。
拿破仑的纽扣－生活中的低温脆性
1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄 罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。 但加拿大著名化学家潘妮· 拉古德所著《拿破仑的纽扣：改变历 史的16个化学故事》中提到，一个简单的化学反应很有可能对 拿破仑的失败起了重要作用。 拿破仑部队军服上，采用锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然 而它有3种同素异形体—白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通 常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，四方晶系， 密度7.31g/cm3而在低温下(-13.2℃)，白锡发生化学反应而变成 粉末状的灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm3因 此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出 现一些小孔，最后会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33 度 时，晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣，数十万大 军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人 得病而死。潘尼道：“毫无疑问，1812 年寒冷温度是造成拿破 仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，也 是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的原因。”
21
2008 年9 月25 日晚9 时10 分，中国自行研制的第 三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航 天发射场由“长征二号F”运载火箭发射升空。“长征 二号F”第三级火箭采用的是液氢液氧发动机，而在1 个大气压下，液氧的沸点是-183℃，液氢的沸点是253℃。液氢液氧的贮存箱就运用了铝合金的耐低温 特性，采用高强度铝合金材料制成。
2、断口形貌法： (1)断口形貌：
由纤维区F、放射区(结晶区)R、剪切 唇S组成。 和常见拉伸断口的区别： t不同，相对面积不同。 (面积～t曲线)
(2) 50%FATT(FATT50,t50 Fracture appearance transition temp)：
通常取结晶区面积占整个断口面积 50 ％
10
图3-3 钢的脆性转变温度
韧脆转化温度tk及其评价方法
1、能量法： (1)无塑性或零塑性转变温度 NDT(Nilductility temp)： ①低阶能：低于某一温度， 冲击能量基本不随温度而变化，形 成一平台。 ②低阶能开始上升的温度为tk。 NDT以下，断口由100％结晶区(解理 区)组成。
23
图3-7 落锤实验示意图
目前，NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂 设计根据的一部分，如： （1）NDT设计标准 保证承载时钢的NDT低于工 作温度，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 对结构钢而言 NDT+33℃约为FTE，适用于原子能反应堆压 力容器标准。 （3） NDT+67℃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，适 用于原子能反应堆压力容器标准。

9
§3.2 低温脆性
定义：材料在某一温度tk下由韧变脆， 冲击功明显下降，断裂机理由微孔聚集 变为穿晶解理，断口由纤维状变为结晶 状。如体心立方金属，某些密排金属合 金。 测量不同温度(低、室、高温)下冲击韧 性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。 tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。 是安全性指标之一，最低使用温度必须 高于tk。 原因：温度影响位错 在晶体中运动的磨擦阻力， 降低温度，阻力上升。材料变脆。
22
§3.3 落锤实验
落锤试验与断裂分析图 普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件的应力状 态，且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。 50年代初， 美海军研究所Pellini等人提出落锤试验方法。