材料的冲击韧性及低温脆性.课件

第三章第三章 材料的冲击韧性及低温脆性材料的冲击韧性及低温脆性 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）。应变率应变率 =de/d e为真应变为真应变 静拉伸试验静拉伸试验 =10-510-2 s-1 冲击试验冲击试验 =102104 s-1 一般情况下一般情况下 =10-410-2 s-1，可按静载荷处理。，可按静载荷处理。意义：评定材料承受冲击载荷的能力意义：评定材料承受冲击载荷的能力 揭示材料在冲击载荷下的力学行为揭示材料在冲击载荷下的力学行为一一.冲击弯曲试验冲击弯曲试验3-1 冲冲击弯曲弯曲试验与冲与冲击韧性性第1页，共15页。JB-S300数显冲击试验机数显冲击试验机1、一次冲击弯曲试验、一次冲击弯曲试验（GB229-2007）冲击试验原理冲击试验原理冲击功：冲击功：第2页，共15页。冲击试样冲击试样第3页，共15页。冲击试样断口形貌冲击试样断口形貌第4页，共15页。2.多次冲击试验多次冲击试验 试样破坏前承受冲击的次数少于试样破坏前承受冲击的次数少于500-1000次，试样断裂规次，试样断裂规律与一次冲击相同；当冲击次数大于律与一次冲击相同；当冲击次数大于105次，破坏就具有疲劳次，破坏就具有疲劳特征。特征。20世纪世纪50年代初，美国海军研究所派林尼（年代初，美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。，以作为评定材料的性能标准。冲断周次冲断周次冲冲击击功功第5页，共15页。1.一次冲击一次冲击二二.冲击韧性及其工程意义冲击韧性及其工程意义u反映原材料的冶金质量和热加工质量；通过测量冲击吸反映原材料的冶金质量和热加工质量；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、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、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。过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。u根据系列冲击试验（低温冲击试验）可获得根据系列冲击试验（低温冲击试验）可获得AK与温度与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。u评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。第6页，共15页。通过落锤试验所得通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图（可以建立断裂分析图（FAD，Fracture Analysis Diagram），表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度），表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线，见下图：之间的关系曲线，见下图：断裂分析图（断裂分析图（FAD图）图）2.多次冲击多次冲击u为低强度钢构件为低强度钢构件防止脆断设计和选防止脆断设计和选材提供了一个有效材提供了一个有效方法；方法；u可用来分析脆性断可用来分析脆性断裂事故，帮助积累防裂事故，帮助积累防止脆性断裂的有关经止脆性断裂的有关经验。验。第7页，共15页。多次冲击抗力的变化规律：多次冲击抗力的变化规律：u冲击能量高时，多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量冲击能量高时，多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，多次冲击抗力主要取决于强度。低时，多次冲击抗力主要取决于强度。u不同冲击能量要求不同的强度和塑性的配合。不同冲击能量要求不同的强度和塑性的配合。u一次冲击韧性根据强度的不同，对多次冲击抗力影响程度不一次冲击韧性根据强度的不同，对多次冲击抗力影响程度不同。同。40钢冲击抗钢冲击抗力与性能和工力与性能和工艺的关系艺的关系不同强度时冲断次数不同强度时冲断次数与冲击韧性的关系与冲击韧性的关系第8页，共15页。材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有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：以下两方面的原因：u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，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。结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。u冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现了孪晶，减小冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现了孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；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。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。强度的提高。三三.冲击脆化效应冲击脆化效应第9页，共15页。3-2 低温脆性低温脆性一一.系列冲击实验与韧脆转变系列冲击实验与韧脆转变温度温度冲冲击击功功系列冲击实验结果系列冲击实验结果 材料冲击功与温度材料冲击功与温度的关系。的关系。高温：高能态、韧性断裂。高温：高能态、韧性断裂。低温：低能态、脆性断裂。低温：低能态、脆性断裂。韧脆转变韧脆转变第10页，共15页。u低温脆性是材料屈服强低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧度随着温度的降低急剧增加的结果。增加的结果。u见右图，屈服点随着见右图，屈服点随着温度的下降而升高，温度的下降而升高，但材料的解理断裂强但材料的解理断裂强度随着温度的变化很度随着温度的变化很小。小。u两线交点对应的温度就两线交点对应的温度就是韧脆转变温度是韧脆转变温度tk。强度与温度的关系强度与温度的关系第11页，共15页。二二.韧脆转变温度及其评价方法韧脆转变温度及其评价方法韧脆转变温度判据韧脆转变温度判据uNDT（nil ductility temperature）当低于）当低于NDT，冲击功不随温度，冲击功不随温度变化，形成一个平台（低阶能）。变化，形成一个平台（低阶能）。uFTP（fracture transition plastic）高于）高于FTP，冲击功不随温度变化，冲击功不随温度变化，出现一个上平台出现一个上平台 （高阶能）。（高阶能）。uFTE（Fracture Transition Elastic）以低阶能和高阶能平）以低阶能和高阶能平 均值对应的温度。均值对应的温度。uV15TT AKV=15尺磅对应的温度。尺磅对应的温度。u50%FATT 放射区占放射区占50%时对时对 应的温度。应的温度。第12页，共15页。三三.影响材料低温脆性的因素影响材料低温脆性的因素1、晶体结构的影响、晶体结构的影响面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性体心立方金属及其合金存在低温脆性体心立方金属及其合金存在低温脆性密排六方金属及其合金部分存在低温脆性密排六方金属及其合金部分存在低温脆性2、化学成分的影响、化学成分的影响间隙溶质原子，降低韧性，间隙溶质原子，降低韧性，提高韧脆转变温度提高韧脆转变温度置换溶质原子影响不明显置换溶质原子影响不明显杂质原子（杂质原子（S、P、Pb、Sn、As等）降低韧性等）降低韧性第13页，共15页。3、显微组织的影响、显微组织的影响晶粒尺寸：细化晶粒可以提高韧性晶粒尺寸：细化晶粒可以提高韧性金相组织：回火索氏体金相组织：回火索氏体贝氏体贝氏体珠光体，韧性降低珠光体，韧性降低第二相：第二相：钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重钢中夹杂物、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，时材料韧性下降，tk升高，球状第二相韧性较好升高，球状第二相韧性较好4、温度的影响、温度的影响温度降低，脆性增加温度降低，脆性增加钢的钢的“蓝脆蓝脆”：静拉伸：静拉伸230-370，冲击，冲击525-550525-550（表（表面蓝色）面蓝色）第14页，共15页。5、加载速率的影响、加载速率的影响提高加载速率同降低温度，增大脆性，升高韧脆转变温度提高加载速率同降低温度，增大脆性，升高韧脆转变温度6、试样形状和尺寸的影响、试样形状和尺寸的影响试样尺寸增大，脆性增大试样尺寸增大，脆性增大缺口：有缺口，脆性增大，缺口曲率半径减小，脆性增大，缺口：有缺口，脆性增大，缺口曲率半径减小，脆性增大，韧脆转变温度升高。韧脆转变温度升高。第15页，共15页。