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第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能.

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安徽工业大学 工程材料力学性能复习提纲整理(1)

安徽工业大学 工程材料力学性能复习提纲整理(1)

1.包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%～2%），卸载后再同向加载，规定残余应力（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应力降低（特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。

2.用低密度可动位错理论解释屈服现象产生的原因金属材料3.答：塑性变形的应变速率与可动位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比欲提高v就需要有较高应力τ这就是我们在实验中看到的上屈服点。

一旦塑性形变产生，位错大量增值，ρ增加，则位错运动速率下降，相应的应力也就突然降低，从而产生了屈服现象。

（回答不完整，尤其是上屈服点产生的原因回答的不好）3.塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。

强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力脆性：材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

4.韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么脆性断裂最危险？答：韧性断裂是材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量，韧性断裂的断裂面的断口呈纤维状，灰暗色。

脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性极大，脆性断裂面的断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。

5.试指出剪切断裂与解理断裂哪一个是穿晶断裂，哪一个是沿晶断裂？哪一个属于韧性断裂，哪一个属于脆性断裂？为什么？答：都是穿晶断裂，剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面发生滑移分离而造成的断裂，断裂面为穿晶型，在断裂前会发生明显的塑性变形，为韧性断裂；而解理断裂是材料在正应力作用下沿一定的晶体学平面产生的断裂，也为穿晶断裂，但断裂面前无明显的塑性变形，为脆性断裂。

6.拉伸断口的三要素:纤维区、放射区、剪切唇7. 理论断裂强度的推导过程是否存在问题？为什么？为什么理论断裂强度与实际的断裂强度在数值上有数量级的差别？答：（1）虽然理论断裂强度与实际材料的断裂强度在数值上存在着数量级的差别，但是理论断裂强度的推导过程是没有问题的。

金属在冲击载荷下的力学性能

金属在冲击载荷下的力学性能
(2) 同一材料，使用同一定义方法，由于 外界因素改变，如试样尺寸、缺口尖锐程度 和加载速率发生变化，tk也发生变化。
(3) 在一定条件下，用试样测得的tk，因 和实际结构工况无直接联系，不能说明该材 料构成的机件一定在该温度下脆断。
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§3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素
一、晶体结构的影响 1、bcc、hcp金属及合金存在低温脆性。 2、fcc金属及合金在常规使用温度下一般
另外，对于有缺口试样，由于缺口截面 上应力分布极不均匀，塑性变形消耗的功主 要集中在缺口附近，取平均值无意义，所以ak 是一个纯数学量。
直接用Ak更有意义。
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(4) Ak 、ak不能真实反映一般零件承受上 千万次冲击载荷的能力
只有承受大能量冲击的零件，如炮弹， 装甲板等，才是一次或少数次即断裂，Ak才 可能化为材料对冲击载荷的抗力指标。但大 部分零件的工作状态还承受小能量多次重复 冲击，此时设计要用小能量多冲击试验。
缺口。 脆性材料不开缺口：陶瓷、铸铁、工具
钢等。 标准试样尺寸：10mm×10mm×55mm。
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二、冲击吸收功和冲击韧度
1、冲击吸收功 Ak 为冲断试样过程中所消耗的功。
2、缺口(无缺口)试样的冲击值(冲击韧度)ak
ak

Ak F
F：试样缺口(折断处)的原始截面积。
8/29 3、讨论 (1) 通常将Ak 、ak作为衡量材料抵抗冲击
而材料的解理断裂强度却随温度的变化很小， 两者相交于tk。
图3-1 屈服强度和解理断裂强度随温度的变化
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当t>tk时，σc>σs，随外力↑，先屈服，后 断裂→韧性断裂。
当t<tk时，σc<σs，外加应力先达到σc，(屈 服的同时发生断裂)为脆性断裂。

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

（4）应变速率对材料的塑性变形、断裂及有关力学性能 有很大影响 冲击瞬时作用于位错上的应力很高 应力水平高 塑性变形难于充分进行 内部的塑性变形不均匀。
第二节 冲击弯曲和冲击韧性
一、冲击韧性及其作用 1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功 的大小。 用标准试样的冲击吸收功表示，Ak。单位，J 2、作用 （1）揭示冶金缺陷的影响； （2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。 （3）评定低温脆性倾向。
第三章 金属在冲击载荷下的力学性 能
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率 （相对形变速率）应变速率
έ=de/dτ (e为真应变)
单位时间内应变的变化量——应变率 静拉伸试验 冲击试验
έ=10-5～10-2 s-1 έ=102～104 s-1
一般情况下， έ=10-4～10-2 s-1，金属力学性能没有明显变化， 可按静载荷处理；
冲击吸收功－温度关பைடு நூலகம்曲线：
fcc金属（Cu、Al）材料在很低的温度下韧性仍比较高； 材料在很宽的试验温度范围内都是脆性的，如淬火高 碳马氏体钢； 材料在一定温度区间内产生低温脆性转变，如bcc金属 及其合金、某些hcp金属及其合金，许多铁素体－珠光 体钢（工程上使用的低碳钢）； bcc金属的低温脆性与位错在晶体中运动的阻力对温度 变化非常敏感及迟屈服现象有关。
3、外部因素
(1)温度 钢的“蓝脆”温度（钢的氧化色为蓝色） 静载荷：230~370℃ 冲击载荷：525～550℃ C．N原子扩散速率增加，易于形成柯氏气团。 (2)加载速率 加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度tk ↑; (3)试样尺寸和形状 试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）; 带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。
二、 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素

力学性能整理

力学性能整理

1第一章 金属在其他静载荷下的力学性能弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。

是解理台阶的一种标志。

穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。

韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变说明下列力学性能指标的意义：E 弹性模量 G 切变模量r σ规定残余伸长应力2.0σ屈服强度gtδ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率n 应变硬化指数金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。

合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。

组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。

试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？答：随含碳量的增加，其组织中渗碳体含量增多，对基体起强化作用，使得材料屈服强度变高，塑性变低。

表现在实验过程中退火低碳钢、中碳钢试样外力不增加试样仍然继续伸长，或外力增加到一定数值时突然下降。

随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续变形伸长，即存在上下屈服点和屈服平台，而高碳钢具有连续屈服特征，没有显著的上下屈服点和屈服平台过了屈服点就会直接发生断裂。

工程材料力学性能第三章资料

工程材料力学性能第三章资料

1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单 位为J。 冲击韧性：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。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。


三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的 强度关系随温度的增加而增加。
图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响
第二节

冲击弯曲和冲击韧性


不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均 匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的； 零件 体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的 应力和应变也愈小。 含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多 的能量，使局部应变和应变速率大为升高。 另一个 特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击 过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。 这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑 性。 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示 材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力 学性能。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料 对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： 4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性 一、 低温脆性 低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低 到零而变为脆性状态。 从现象上看，是屈服强 度随温度降低而急剧增加的结果 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂 强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σc， 金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现 为脆性的； 而在Tc以上，σs<σc，金属在断裂 前发生塑性变形，故表现为塑性的。 低温脆性对压力容器\桥梁和船舶结构以及在低温 下服役的机件是非常重要的.

金属在冲击载荷下的力学性能资料

金属在冲击载荷下的力学性能资料
金属在冲击载荷下的力学性能是材料科学的重要研究领域。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率，前者加载速率极高。在冲击载荷作用下，金属会经历弹性变形、塑性变形和断裂。材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。影响冲击性能的微观因素包括位错上的高应力、位错运动速率的增加以及显微观察显示的内部塑性变形不均匀。冲击韧性是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是评定材料缺口敏感性、低温脆性倾向的重要指标。低温脆性是指某些金属在低于特定温度时由韧性状态变为脆性状态，这与材料的屈服强度随温度降低而急剧增加有关。为了评价金属在低温下的脆性程度，采用低温系列冲击试验进行测试和评估，从而确定材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ韧脆转变温度。

材料力学性能-考前复习总结（前三章）

材料力学性能-考前复习总结（前三章）

材料力学性能-考前复习总结（前三章）金属材料的力学性能指标是表示其在力或能量载荷作用下（环境）变形和断裂的某些力学参量的临界值或规定值。

材料的安全性指标：韧脆转变温度Tk；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；缺口敏感性NSR材料常规力学性能的五大指标：屈服强度；抗拉强度；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；硬度；断裂韧性第一章单向静拉伸力学性能应力和应变：条件应力条件应变 =真应力真应变应力应变状态：可在受力机件任一点选一六面体，有九组应力，其中六个独立分量。

其中必有一主平面，切应力为零，只有主应力，且，满足胡克定律。

应力软性系数：最大切应力与最大正应力的相对大小。

1 弹变1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

ae=1/2σeεe=σe2/2E。

取决于E和弹性极限，弹簧用于减震和储能驱动，应有较高的弹性比功和良好弹性。

需通过合金强化及组织控制提高弹性极限。

2）弹性不完整性：纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向及加载时间无关，但对实际金属而言，与这些因素均有关系。

①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

与材料成分、组织及试验条件有关，组织约不均匀，温度升高，切应力越大，滞弹性越明显。

金属中点缺陷的移动，长时间回火消除。

弹性滞后环：由于实际金属有滞弹性，因此在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线不重合，形成一封闭回路。

吸收变形功循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力（塑性区加载，塑性滞后环），也叫内耗（弹性区加载），或消震性。

②包申格效应：定义：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

（反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。

特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了）解释：与位错运动所受阻力有关，在某滑移面上运动位错遇位错林而使其弯曲，密度增大，形成位错缠结或胞状组织，相对稳定。

第三章材料的冲击韧性及低温脆性

第三章材料的冲击韧性及低温脆性

2.试验结果
样品破坏前 N ﹤1000～500次者，破坏规律及形态与一 次冲击相同；
样品破坏前 N﹥100000次者，破坏规律及形态与疲劳相 似。可概括为如下一些规律： （1）冲击能量高时，材料的多次冲击抗 力主要取决于塑 性；冲击能量低时，材料的多冲抗力主要取决于强度。 （2）不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合。 （3）材料强度不同对冲击疲劳抗力的影响不同。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。
定材料的韧脆转变温度。
一、系列冲击实验与低温脆性
1. 系列冲击试验: 对某些材料，当冲击实验分别在低温、室温和高温下进
行时可以得到一系列冲击值AK（或ak），将这些冲击值与 所对应的实验温度在直角坐标系中标出，然后用光滑曲线 将这些实验数据连接起来，可以得到这种材料冲击韧性与 温度的关系曲线，即AK—t0C或ak-t0C。这种不同温度下的 冲击试验称为系列冲击试验。
4.塑性和韧性随着应变率增加而变化的特征与断裂方式 有关。
§3.2 金属材料的低温脆性
◆上节回顾： ◆冲击弯曲实验，冲击吸收功AK 、冲击韧度aK。 ◆工程意义： 1.反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量； 2.评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性；
3.根据系列冲击试验获得AK与温度的关系曲线，确
Ak T
3.低温脆性产生的原因
宏观原因：
材料低温脆 性的产生与其屈 服强度σS和断 裂强度σ 随温
C
度的变化有关。
微观原因：体心立方金属的低温脆性与位错
在晶体中运动的阻力σI对温度变化非常敏感有 关, 温度下降σI大幅度升高，位错运动难以
进行；体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现

第03章-金属在冲击载荷下的力学性能.复习进程

第03章-金属在冲击载荷下的力学性能.复习进程

§3.3 低温脆性及韧脆转变温度
一、低温脆性现象 低温下，材料的脆性急剧增加。
esp.,对压力容器、桥梁、汽车、船舶的 影响较大。
实质为温度下降，屈服强度急剧增加 。
F.C.C金属，位错宽度比较大，一般 不显示低温脆性。
9
二、韧脆转变温度
判断标准 冲击能量 低阶能对应的t1－NDT（无塑性或零塑性转变
图中各条曲线对应不同裂纹尺寸的σc –t曲线。 AC线，小裂纹的的σc –T曲线，位于σs线以上； BC线，长裂纹的σc –T曲线，与σs点相交于B点-对 应的温度即为FTE（弹性断裂转变温度 ）。 C点对应的坐标为σb和FTP（塑性断裂转变温度）。 因为在NDT附近有一不发生脆性破坏的最低应力， 于是得到A’点。 A’BC线-断裂终止线（CAT），表示不同应力水平 下脆性断裂扩展的终止温度。
弹性变形的速度4982m/s（＞声速）, 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。这样冲击弹性 变形总能紧跟上冲击外力的变化
2
二、影响冲击性能的微观因素
（1）位错的运动速率↑，派纳力增大，滑移临界切应力↑，金属产 生附加强化。参见图1-12.
（2）同时开动的位错源增加，增加位错密度，提高滑移系数目，塑变 极不均匀，限制了塑性变形的发展，导致屈服强度提高（多）、抗 拉强度提高（少）。参见图1-12.
•
材料塑性与 之间无单值依存关系。大多情况下，冲击时的塑性比 静拉伸的要低。高速变形时，某些金属可显示较高塑性（如密排六 方金属爆炸成型）
•
塑性和韧性随 提高而变化的特征与断裂方式有关。 如在一定加载规范和温度下，材料产生正断（因为切变抗力增加很大
）则，则随c断裂应•↗力而↗ c，变但化塑不性大可，能塑不性变随，• 也↗可而能↘。提如高材。料产生切断，

工程材料力学性能习题答案

工程材料力学性能习题答案

《工程材料力学性能》课后答案机械工业出版社 2008第2版第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。

1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶。

8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。

是解理台阶的一种标志。

9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。

10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。

11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。

弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等2、 说明下列力学性能指标的意义。

答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。

材料力学性能第三章

材料力学性能第三章
安徽工业大学 材料科学与工程学院
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第一节 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。
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冲击吸收功Ak的大小不能真正反映材料的 韧脆程度：

这是由于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Ak值相差10-30%。
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第三节 低温脆性


一、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tk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。
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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。 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tk。

第三章冲击载荷下力学性能

第三章冲击载荷下力学性能
第三章 冲击韧性
3.1 冲击载荷下金属变形与断裂特点
3.1.1 几个概念 加载速率：指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来表示。
dσ/dt ，单位为MPa／s。 变形速率：单位时间内的变形量。
绝对变形速率：单位时间内试件长度的增 长率V=dl/dt，单位为m／s。
相对变形速率：应变速率，ε=de/dt，单位为 s-1。
Ak 冲击功， An 净断面积。
V型缺口：冲击韧性值：aKV = AK /An 。
3.2.1 冲击试样
3.2.3 缺口冲击韧性的意义及应用
缺口试样的断裂可能经历三个阶段：裂纹
缺口试件的冲击断裂可能要吸收三部分能量：
裂纹形成能、亚临界扩展能、断裂能。
研究低温脆性的主要问题是确定韧脆-转化温度。 实验方法介绍：将试件冷却到不同的温度测定冲击
功AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲线。然后按
一定的方法确定韧脆转化温度。
能量法：有下列几种：
(1)以V型缺口冲击试件测定的冲击功AK=15 ft 1bf(20.3N M) 对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。
c.增加镍含量，细化晶粒，形成低碳马氏体和回火索 氏体，消除回火脆性等，将降低韧脆转化温度；
d.增加钢中镍、铜含量，有利于提高低阶能．
具体用途有：
①评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量 ，通过测定冲击韧性和断口分析，可揭示原材料中 夹渣、气泡、偏析、严重分层等冶金缺陷和过热、 过烧、回火脆性等锻造以及热处理缺陷等；
②确定结构钢的冷脆倾向及韧脆转变温度；
③冲击韧性反映着材料对一次和少数次大能 量冲击断裂的抗力，因而对某些在特殊条件 下服役的零件，如弹壳、防弹甲板等，具有 参考价值：

工程材料力学性能3

工程材料力学性能3

变速率，绝对单位为 m/s。相对形变速率是单位时间内真应变的变化量，也称为应变率，以 ε& 表
示，
ε& = de dt
单位为 s −1 ，常用的是相对形变速率。
一般地，应变率小于 10-2 s −1 金属力学性能没有明显变化，可以按静载荷处
理；应变率大于 10-2 s −1 （爆炸 104~106s-1），力学性能发生明显变化，金属材料
出现变脆趋势，此时需要考虑冲击载荷对金属力学行为和力学性能的影响。
第一节 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 一、冲击载荷对弹性变形的影响
弹性变形在介质中以声速传播，钢中的声速约为 5×103m/s，而普通机械冲击 时的绝对形变速率在 103m/s 以下（摆锤冲击试样的速度约为 4.0~5.5 m/s），弹性 形变速率高于加载形变速率，所以对弹性性能没有影响。 二、冲击载荷对塑性变形和断裂的影响
体心立方金属及其合金存在低温脆性。 2、化学成分 （1）降低钢中的 C、P 含量；细化晶粒，热处理成低碳马氏体和回火素氏体，
可提高高阶能；
（2）增加钢中的 C、P、O 含量，Si、Al 含量超过一定值以及应变时效（需解释
应变时效的概念）等，降低高阶能； （3）钢中的 C、P、O 含量高，Si、Al 含量超过一定值，晶粒粗大，形成上贝氏
晶粒细化可以提高钢的断裂强度，降低韧脆转变温度。可以认为晶粒细化对
材料的力学性能有利而无害。 4、外部因素 （1）提高应变速率有类似降温的效果，使脆性转变温度提高； （2）试样尺寸增大，韧性下降，断口中纤维区面积减小，韧脆转变温度提高； （3）应力状态越硬，材料的塑性、韧性越低，韧脆转变温度也越高； （4）形变强化使屈服强度σ s 增大，韧脆转变温度升高；
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具有面心立方结构的金属材料如Cu、Al等的屈服强
度随温度的降低不发生明显的升高，屈服强度总是
低于断裂强度，所以冷脆倾向不明显。
微观上，体心立方晶体中的位错阻力随温
度降低而增加，故该类材料发生低温脆性，面
心立方金属因位错宽度比较大，位错阻力对温 度变化较不敏感，故一般不显示低温脆性。

体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。 迟屈服即对材料施加一高速载荷到高于σs，材料并 不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期(称为迟屈 服时间)才开始塑性变形。在孕育期中只产生弹性变 形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的 扩展，从而易表现为脆性破坏。
转变，如体心立方金属及其合金、某些密排六 方金属及其合金，及许多珠光体－铁素体两相 钢。这类材料的屈服强度对温度和应变速率的 变化十分敏感。 高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁 二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙 烯)等，也会发生低温脆性。
产生低温脆性的机理
材料低温脆性的产生与其屈服强度和断裂强度随
冲击韧度只是一种混合的韧性指标， 在设计中不能定量使用。
冲击功＝（冲击弹性功＋塑性功＋撕裂 功）＋空气阻力＋机身振动＋轴承与测量 机构的摩擦＋试样的飞出等。
三、冲击韧度的工程意义
表示材料韧度的性能指标共有三个：冲击 韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力 韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载 荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件 下材料的韧度。
低温脆性－材料的强度随温度的降低而升高 ，而塑性则相反。从韧性断裂转变为脆性 断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由 微孔聚集型转变为穿晶解理，断口特征从 纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性
或冷脆。
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。
近，产生沿晶脆性断裂。
3 晶粒大小
βtk=lnB-lnC-lnd
-1/2
β、B、C－为常数， β与σi有关，C为裂纹扩 展阻力的度量； d：晶粒直径。

原因：晶粒减小，晶界前塞积的位错数减少， 有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶
界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂；
晶界是裂纹扩展的阻力。
试样开缺口的目的： 在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限 在缺口附件不大的体积范围内，保证试样一 次就被冲断且使断裂发生在缺口处。
3 试样形状：V型和U型缺口试样，形状和尺寸 如图所示。测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材 料的冲击功时常采用10mm×10mm×55mm的 无缺口试样。
冲击试样尺寸及加工要求
铁素体晶粒尺寸对韧脆转变温度的影响
1、试样只发生塑性变形，不开裂；
2、试样拉伸面靠缺口附近出现裂纹，但未扩展到两 侧边； 3、裂纹扩展到试样的一侧边或两侧边；
4、试样完全碎裂。 这个温度叫做无塑性转变温度简称NDT，是产生无 塑性破坏的最高温度 。如试验温度低ห้องสมุดไป่ตู้NDT，则裂 纹就可自拉伸面横穿板的宽度直至边缘。
断裂分析图（FAD）
物构件小，由于变形的几何约束小带来的脆化
程度也相应地小一些。

试验之前试样在所选 的低温条件下保温3045分钟，然后迅速将
焊堆长×宽×厚 64×15×4mm
其移至支座上，用落
锤对其冲击 。锤的冲 击能量是根据板材厚 度和材料的屈服强度 这两个参数决定的。 落锤试验示意图

根据试验温度的高低，试样发生如下变化：
二、冲击弯曲试验 (GB229-84,GB2106-80)
1 试验特点： 冲击载荷 作用力在极短时间 （微秒）内有很大变化幅度，缺口试样（有 缺口效应），低温，都是致脆因素下测定试 样的冲击功。 2 加载方式：利用摆锤的势能，如下图所示， 测量试样变形和断裂所吸收的功称为冲击吸 收功。用AK表示，AK＝mg（H1-H2），单位 为焦耳J。
泰坦尼克号钢板和现代钢板的实际冲击结果示于下图。 在－2℃的海水中，泰坦尼克号钢板纵、横向试验中吸 收能仅有4焦耳。同样温度下，现代钢板纵向试验中吸 收能为325焦耳，横向试验中吸收能为100焦耳。
上节回顾
• 1、硬度实验
• 2、冲击实验
• 3、低温脆性
实验中归纳有3种不同的冲击吸收功－温度关系曲线：

在低温环境下使用的构件，其用材在低温下发生 脆断的情况是必须要严格关注的，因此需要进行 系列冲击试验。

本章的内容：介绍材料在冲击载荷下的力学行为和 性能特点以及材料的低温脆性。
第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性
一、加载速率和应变速率 加载速率提高，应变速率也随之增加。
变形速率：υ= dl/dt， l是试样长度，t是时间 应变速率：
断裂分析图表示 了应力、缺陷和 温度三个参数之 间的关系，只要 确定了其中任意 两个参数，就可 以求出第三个参 数。
三、影响材料低温脆性的因素
1晶体结构 bcc有冷脆，fcc无冷脆
2化学成分 间隙溶质元素含量增加，韧脆转
化温度升高，如含碳量增加，钢
的韧脆转化温度升高；杂质元素
含量增加，容易偏聚在晶界附
3、 对于σ s大致相同的材料，可以评定材料对 在冲击载荷下破坏的缺口敏感性。 4、 通过建立冲击功和其他力学性能指标间的 联系，替代较复杂的实验。
第二节
低 温 脆 性
一、系列冲击试验与低温脆性
系列冲击试验——将某一材料制成的冲击 试样冷却到不同的温度测定冲击功，可得到这 种材料冲击韧性与温度的关系曲线。这种不同 温度下的冲击试验称为系列冲击试验。
b)
c)
塑性变形集中在局部区域，较之静载条件 极不均匀。
应变速率提高，材料塑性必定下降？
材料以正断方式断裂，塑性随应变速率的增 加而减小。 材料以切断方式断裂，塑性可能不变，也可 能提高。
应变速率对18Ni马氏体时效钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)断面收缩率
应变速率对淬火回火35CrNiMoV钢的强度和塑性的影响 (a)屈服强度和抗拉强度 (b)延伸率和断面收缩率

d / dt ,

d dl / l
dl 1 dl 1 d / dt l dt dt l l
静拉伸的应变速率在10 ～10 S ,当应变速率 大于10 S ，材料的力学性能将发生显著的变
-2 -1
-5
-2
-1
化。

冲击载荷下材料变形和断裂的特点
弹性变形阶段：应变速率对材料的弹性行为及弹性
韧性温度储备
△t＝t0-tk
（20～60℃ ） t0为工作温度 两种钢材的冲击转变曲线

3、落锤试验
缺口冲击试验虽然测量简单方便，试验成本也
低，但其测量的韧脆转化温度，在一般情况下
并不能代表实物构件的脆化温度，缺口冲击试
验所确定的脆化温度总是偏低。这主要是因为
缺口冲击试样尺寸小，其几何约束要比厚的实
料的强度和塑性有关。可检验材料的冶金质 量、冷脆倾向、缺口敏感性。
裂纹源
PF
缺口冲击试样的载荷－挠度图
韧性材料的冲击试样断口
Ac：弹性变形功；Ap：塑性变形、变形强化和裂纹形 成等过程吸收的功；Ad：裂纹扩展功
三种典型的冲击载荷－位移曲线 ①强度高、塑性低、无裂纹扩展功部分，说明这种材料裂纹难以形成，但裂纹却极易 失稳扩展 ②强度较高，裂纹较难形成，且具有一定的抵抗裂纹扩展的能力 ③强度低并具有较大的抵御裂纹扩展的能力
静力韧度——材料在静拉伸时单位体积 材料从变形到断裂所消耗的功叫作静力韧 度。应力－应变曲线下所包围的面积减去弹 性能表示。数学表达式可通过真应力应变曲 线求得
a静
S K 0 .2 e
2
K
SK－断裂时的真应力；eK－断裂时的真应变
冲击韧性的意义：冲击韧度（冲击值α α
KV和
KU）是一个综合性的力学性能指标，与材
低碳钢船用钢板
断口形貌特征法—依 据该法确定的韧脆转
化温度称为FATT。
断口上出现50％纤维 状韧性断口和50％脆 性结晶状断口的试样 所对应的温度。
冲击断口形貌示意图
第二节
低 温 脆 性
上述表明，由于定义tk的方法不同，同一材料所得tk 亦有差异；同一材料，使用同一定义方法，由于外 界因素（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等） 的改变，tk也要变化。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 说明该材料制成的机件一定在该温度下断裂。
(2)高于某一温度材 料吸收的能量也基 本不变，形成一个 上平台，称为“高
阶能”。以高阶能
对应的温度为tk，记 为FTP。
(3)以低阶能和高 阶能平均值对应 的温度定义，并 记为FTE。
(4)与某一固定的
能量对应的温度。
如以Akv＝15尺磅
(20.3J)对应的温 度定义，并记为 V15TT 。
4 试验结果：试验机直接得到的结果为冲
击功AKV（AKU），用缺口处的截面积S去除以冲
击功便得到冲击韧度αKV和αKU，即
AKV AKU aKV aKU S
, 单位为J/cm2。
注意： （1）αKV和αKU不能进行对比； （2）截面不同不可比； （3）试验机不同不可比。 5 低温的施加方法：液氮＋酒精 （注意冻伤）
如：铜、铝
如：正火态20钢
如：淬火态高碳马氏体钢
第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆
性的，如淬火态的高碳马氏体钢等高强度钢； 第二类曲线显示具有面心立方结构的金属材料如Cu、 Al等在很低的实验温度下仍具有较高的韧性， 这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化 不敏感；