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 材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能

 

3.1 概述

 

沖擊試驗(yàn)是利用能量守恒原理，將具有一定形狀和尺寸的帶有V型或U型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下沖斷，以測(cè)定其吸收能量的一種試驗(yàn)方法。沖擊試驗(yàn)對(duì)材料的缺陷很敏感，能靈敏地反映出材料的宏觀缺陷、顯微組織的微小變化和材料質(zhì)量。

 

材料抵抗沖擊載荷的能力稱(chēng)為材料的沖擊性能。沖擊載荷是指以較高的速度施加到零件上的載荷，當(dāng)零件在承受沖擊載荷時(shí)，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時(shí)要大的多。

沖擊載荷和靜載荷的區(qū)別在于加載速率不同。加載速率是指載荷施加于試樣或機(jī)件的速率，用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。 用形變速率（又分為絕對(duì)形變速率和相對(duì)形變速率）間接反映加載速率的變化。

 

工程中，還有許多機(jī)件是快速加載即沖擊載荷及低溫條件下工作的，如：汽車(chē)在凸凹不平的道路上行駛；飛機(jī)的起飛和降落；材料的壓力加工等；其性能將與常溫、靜載的不同。

 

3.2 概念

夏比沖擊試驗(yàn)：用規(guī)定高度的擺錘對(duì)處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的缺口試樣進(jìn)行一次性沖擊，并測(cè)量試樣折斷時(shí)的吸收能量的試驗(yàn)。V形缺口由于應(yīng)力集中較大，應(yīng)力分布對(duì)缺口附近體積塑性變形的限制較大而使塑性變形更難進(jìn)行。

不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力：力-位移曲線(xiàn)急劇下降開(kāi)始時(shí)的力。

不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力：力-位移曲線(xiàn)繼續(xù)下降終止時(shí)的力。

沖擊試樣斷口：沖擊試樣沖斷口的斷裂表面及臨近表面的區(qū)域。其宏觀外貌一般呈晶狀，纖維狀或混合狀。

晶狀斷面：斷裂表面一般呈現(xiàn)金屬光澤的晶狀顆粒，無(wú)明顯塑性變形的齊平斷面。

纖維狀斷面：斷口中纖維區(qū)的總面積與缺口下方原始截面面積的百分比。

側(cè)膨脹值：斷裂試樣缺口側(cè)面每側(cè)寬度較大增加量之和。

 

3.3 沖擊載荷下材料變形斷裂特點(diǎn)

沖擊載荷下，機(jī)件、與機(jī)件相連物體的剛度都直接影響沖擊過(guò)程的時(shí)間，從而影響加速度和慣性力的大小。

沖擊過(guò)程時(shí)間短，測(cè)量不準(zhǔn)確，通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)件內(nèi)的彈性能，再按能量守恒法計(jì)算。

金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行。

 

靜載荷作用時(shí)：塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中；

沖擊載荷作用時(shí)：塑性變形則比較集中于某一局部區(qū)域，反映了塑性變形不均勻

這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高。

 

 

純鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

1—沖擊載荷；2—靜載荷

塑性、韌性隨應(yīng)變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)：如果在一定加載條件及溫度下，材料產(chǎn)生正斷，則斷裂應(yīng)力變化不大，塑性隨著應(yīng)變率的增加而減?。?/span>

如果材料產(chǎn)生切斷，則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率提高顯著增加，塑性的變化不一定，可能不變或提高。

 

韌性材料沖擊試樣斷口示意圖

同樣也為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū)；

若試驗(yàn)材料具有一定的韌性，可形成兩個(gè)纖維區(qū)即： 纖維區(qū)—放射區(qū)—纖維區(qū)—剪切唇；

裂紋快速擴(kuò)展形成結(jié)晶區(qū)，到了壓縮區(qū)后，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，裂紋擴(kuò)展速度再次減小，形成纖維區(qū)。

 

3.4 沖擊彎曲與沖擊韌性

（1）沖擊韌性

沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收（彈性變形功）塑性變形功和斷裂功的能力。常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功A_K來(lái)表示。

作用：揭示冶金缺陷的影響；對(duì)σ_s大致相同的材料，評(píng)定缺口敏感性；評(píng)定低溫脆性?xún)A向。

試樣尺寸：10mm×10mm×55mm

試樣分為缺口試樣和無(wú)缺口試樣。缺口試樣又分為夏比V型缺口沖擊試樣和夏比U型缺口沖擊試樣。無(wú)缺口試樣適用于脆性材料（球鐵、工具鋼、淬火鋼等）

沖擊試樣開(kāi)缺口的目的：使缺口附近造成應(yīng)力集中，保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)生在缺口處。缺口的深度和尖銳程度對(duì)沖擊吸收功影響顯著。缺口越深、越尖銳，A_k值越小，材料表現(xiàn)的脆性越大。所以，不同類(lèi)型和尺寸的試樣的A_k值不能相互換算和直接比較。

 

（2）沖擊彎曲

試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

 

試驗(yàn)過(guò)程：將樣品水平放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質(zhì)量m的擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定位能mgH1

釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為mgH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能為mgH1-mgH2，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱(chēng)為沖擊吸收功，以A_K表示，單位為J。

 

對(duì)采用U型缺口和V型缺口的試樣，其沖擊功分別用A_ku 和A_kv來(lái)表示。試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校核。

在最新現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2007《金屬材料  夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》中規(guī)定：沖擊吸收能量k代替沖擊吸收功A_k。

JB-S300數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)

(擺錘預(yù)揚(yáng)角：150°；擺軸中心至打擊中心的距離：750mm、800mm；沖擊速度：5.2m/s~5.4m/s；最大沖擊能量：300J/500J、500J/250J)

 

JB-300/500W微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)

(沖擊能量：300J、150J/500J、250J；擺錘預(yù)揚(yáng)角：150°；沖擊速度：5.2m/s~/5.4m/s；試樣支座跨距：40mm)

 

3.5 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用

沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便。沖擊吸收能量K的大小對(duì)材料的組織十分敏感，能反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。

沖擊試驗(yàn)主要應(yīng)用在以下兩個(gè)方面：

（1）控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的質(zhì)量

通過(guò)測(cè)量K值和對(duì)樣品進(jìn)行斷口分析，可以：檢驗(yàn)冶金缺陷——夾渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析以及夾雜物超級(jí)等缺陷；檢驗(yàn)熱加工后質(zhì)量——鑄造、鍛造、焊接及熱處理后過(guò)熱、過(guò)燒、回火脆性、淬火和鍛造裂紋等缺陷；

（2）評(píng)定材料的冷脆傾向

根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）可得K與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，可以評(píng)定材料的低溫脆性?xún)A向。

三種不同冷脆傾向的材料

 

3.6 低溫脆性現(xiàn)象

體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體-珠光體鋼），在試驗(yàn)溫度低于某一溫度t_k時(shí)，會(huì)由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性，又稱(chēng)為冷脆。這種轉(zhuǎn)變稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

 

Titanic號(hào)鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。

 

斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨時(shí)間變化示意圖

低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨著溫度的降低急劇增加的結(jié)果；見(jiàn)右圖，屈服點(diǎn)隨著溫度的下降而升高，但材料的斷裂強(qiáng)度隨著溫度的變化很?。粌删€(xiàn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是t_k。

 

3.7 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

常用根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來(lái)定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k。

低溫脆性金屬材料的系列沖擊結(jié)果

沖擊功隨溫度的變化而變化，能量法有三種:(1)以低階能開(kāi)始上升的溫度定義為t_k，記為NDT（Nil Ductility Temperature）稱(chēng)為無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度;(2)以高階能對(duì)應(yīng)的溫度定義為t_k，記為FTP(Fracture Transition Plastic)，較為保守的方法;(3)以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義為t_k，記為FTE(Fracture Transition Elastic)。

試驗(yàn)表明，在不同試驗(yàn)溫度下，纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇三者之間的相對(duì)面積（或線(xiàn)尺寸）是不同的。

溫度下降，纖維區(qū)面積突然減少，結(jié)晶區(qū)面積突然增加，材料由韌變脆。

通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積的50%時(shí)的溫度為t_k，記為50%FATT或FATT₅₀、t₅₀。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k可用于抗脆斷設(shè)計(jì)、保證機(jī)件服役安全，但不能直接用來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸；機(jī)件的最低使用溫度必須高于t_k，兩者相差越大越安全，所以選用的材料應(yīng)該具有一定的韌性溫度儲(chǔ)備，也就是說(shuō)具有一定的△值，△=t₀-t_k。

 

3.8 落錘試驗(yàn)

50年代初，美國(guó)海軍研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落錘試驗(yàn)方法，用于測(cè)定全厚鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，以作為評(píng)定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。

 

落錘試驗(yàn)示意圖

（重錘錘頭是一個(gè)半徑為25mm的鋼制圓柱，硬度不小于50HRC。重錘可升到不同高度，以獲得340-1650J的能量。）

試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進(jìn)行打擊。隨著試樣溫度的下降，其力學(xué)行為發(fā)生如下變化：

不裂→拉伸側(cè)表面形成裂紋，但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→斷裂。

一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為——NDT。

低強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：保證承載時(shí)鋼的NDT＜工作溫度，此時(shí)高應(yīng)力區(qū)的小裂紋處不會(huì)造成脆性斷裂；

NDT+33℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)結(jié)構(gòu)鋼而言，FTE≈NDT+33℃，適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn)；

NDT+67℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：適用于全塑性斷裂，在塑性超載條件下，仍能保證最大限度的抗斷能力，也適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。

TLC-300落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

 

3.9 斷裂分析圖

斷裂分析圖通過(guò)落錘試驗(yàn)所得NDT可以建立斷裂分析圖Fracture Analysis Diagram,，表示許用應(yīng)力、缺陷（裂紋）和溫度之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

斷裂分析圖

A’BC線(xiàn)，又稱(chēng)為斷裂終止線(xiàn)(CAT)，表示不同應(yīng)力水平下脆性裂紋擴(kuò)展的終止溫度。

 

3.10 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素

材料的脆性?xún)A向本質(zhì)上是其塑性變形能力對(duì)低溫和高加載速率的適應(yīng)性的反映。

材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響因素主要有：化學(xué)成分、晶粒尺寸、顯微組織。

合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k提高；置換原子只有Ni、Mn降低t_k；S、P、As等偏聚與晶界，降低材料韌性。

 

韌脆轉(zhuǎn)變溫度與鐵素體晶粒直徑的關(guān)系

（細(xì)化晶粒，材料的韌性增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k降低）

分析：晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

 

顯微組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k由高到低：珠光體>上貝氏體>鐵素體>下貝氏體>回火馬氏體。

球化處理可改善鋼的韌性；在某些馬氏體鋼中存在奧氏體，可以抑制解理斷裂；鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的脆性有重要影響，無(wú)論第二相位于晶界還是獨(dú)立于基體中，當(dāng)尺寸增大時(shí)材料韌性下降，t_k升高。

 

3.11 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

來(lái)源：材易通