材料在冲击载荷下的力学性能

  材料在冲击载荷下的力学性能

3.1  概述

冲击试验 是利用能量守恒原理，将具有一定形状和尺寸的带有 V 型或 U 型缺口的试样，在冲击载荷作用下冲断，以测定其吸收能量的一种试验方法。 冲击试验对材料的缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料的宏观缺陷、显微组织的微小变化和材料质量 。

材料抵抗冲击载荷的能力称为材料的冲击性能。冲击载荷是指以较高的速度施加到零件上的载荷，当零件在承受冲击载荷时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多。

冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率不同。加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。   用形变速率（又分为绝对形变速率和相对形变速率）间接反映加载速率的变化。

工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。

3.2  概念

夏比冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性冲击，并测量试样折断时的吸收能量的试验。 V 形缺口由于应力集中较大，应力分布对缺口附近体积塑性变形的限制较大而使塑性变形更难进行。

不稳定裂纹扩展起始力：力 - 位移曲线急剧下降开始时的力。

不稳定裂纹扩展终止力：力 - 位移曲线继续下降终止时的力。

冲击试样断口：冲击试样冲断口的断裂表面及临近表面的区域。其宏观外貌一般呈晶状，纤维状或混合状。

晶状断面：断裂表面一般呈现金属光泽的晶状颗粒，无明显塑性变形的齐平断面。

纤维状断面：断口中纤维区的总面积与缺口下方原始截面面积的百分比。

侧膨胀值：断裂试样缺口侧面每侧宽度较大增加量之和。

3.3  冲击载荷下材料变形断裂特点

冲击载荷下，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。

冲击过程时间短，测量不准确，通常假定冲击能全部转化为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。

金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行。

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。

纯铁的应力 - 应变曲线

1— 冲击载荷； 2— 静载荷

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。

韧性材料冲击试样断口示意图

同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区；

若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区即：   纤维区 — 放射区 — 纤维区 — 剪切唇；

裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小，形成纤维区。

3.4  冲击弯曲与冲击韧性

（ 1 ）冲击韧性

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）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 来表示。

作用：揭示冶金缺陷的影响；对 σ _s 大致相同的材料，评定缺口敏感性；评定低温脆性倾向。

试样尺寸： 10mm×10mm×55mm

试样分为缺口试样和无缺口试样。缺口试样又分为夏比 V 型缺口冲击试样和夏比 U 型缺口冲击试样。无缺口试样适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）

冲击试样开缺口的目的 ：使缺口附近造成应力集中，保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐， A _k 值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸的试样的 A _k 值不能相互换算和直接比较。

（ 2 ）冲击弯曲

试验在摆锤式冲击试验机上进行。

试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量 m 的摆锤举至一定高度 H1 ，使其获得一定位能 mgH1

释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为 mgH2 ，则摆锤冲断试样失去的位能为 mgH1-mgH2 ，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以 A _K 表示，单位为 J 。

对采用 U 型缺口和 V 型缺口的试样，其冲击功分别用 A _ku   和 A _kv 来表示。试验前需对试验机进行校核。

在 最新现行标准 GB/T229-2007 《金属材料    夏比摆锤冲击试验方法》中规定： 冲击吸收能量 k 代替冲击吸收功 A _k 。

JB-S300 数显冲击试验机

( 摆锤预扬角： 150° ；摆轴中心至打击中心的距离： 750mm 、 800mm ；冲击速度： 5.2m/s~5.4m/s ；最大冲击能量： 300J/500J 、 500J/250J)

JB-300/500W 微机控制冲击试验机

( 冲击能量： 300J 、 150J/500J 、 250J ；摆锤预扬角： 150° ；冲击速度： 5.2m/s~/5.4m/s ；试样支座跨距： 40mm)

3.5   冲击试验的应用

冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。冲击吸收能量 K 的大小对材料的组织十分敏感，能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。

冲击试验主要应用在以下两个方面：

（ 1 ）控制材料的冶金质量和热加工后的质量

通过测量 K 值和对样品进行断口分析，可以：检验冶金缺陷 —— 夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等缺陷；检验热加工后质量 —— 铸造、锻造、焊接及热处理后过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等缺陷；

（ 2 ） 评定材料的冷脆倾向

根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得 K 与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度，可以评定材料的低温脆性倾向。

三种不同冷脆倾向的材料

3.6   低温脆性现象

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 ，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。

Titanic 号钢板 ( 左图 ) 和近代船用钢板 ( 右图 ) 的冲击试验结果

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。

断裂强度和屈服强度随时间变化示意图

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，但材料的断裂强度随着温度的变化很小；两线交点对应的温度就是 t _k 。

3.7   韧脆转变温度

常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度 t _k 。

低温脆性金属材料的系列冲击结果

冲击功随温度的变化而变化，能量法有三种:( 1 )以低阶能开始上升的温度定义为 t _k ，记为 NDT （ Nil Ductility Temperature ）称为无塑性或零塑性转变温度;( 2 )以高阶能对应的温度定义为 t _k ，记为 FTP(Fracture Transition Plastic) ，较为保守的方法;( 3 )以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为 t _k ，记为 FTE(Fracture Transition Elastic) 。

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 FATT ₅₀ 、 t ₅₀ 。

韧脆转变温度 t _k 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， △=t ₀ -t _k 。

3.8   落锤试验

50 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 NDT ，以作为评定材料的性能标准。

落锤试验示意图

（重锤锤头是一个半径为 25mm 的钢制圆柱，硬度不小于 50HRC 。重锤可升到不同高度，以获得 340-1650J 的能量。）

试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：

不裂 → 拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘 → 拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边 → 断裂。

一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边的最高温度为 —— NDT 。

NDT 设计标准：保证承载时钢的 NDT ＜工作温度，此时高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂；

NDT+33℃ 设计标准：对结构钢而言， FTE≈NDT+33℃ ，适用于原子能反应堆压力容器标准；

NDT+67℃ 设计标准：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，也适用于原子能反应堆压力容器标准。

TLC-300 落锤冲击试验机

3.9  断裂分析图

断裂分析图通过落锤试验所得 NDT 可以建立断裂分析图 Fracture Analysis Diagram, ，表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线。

断裂分析图

A’BC 线，又称为断裂终止线( CAT) ，表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度。

3.10  影响韧脆转变温度的因素

材料的脆性倾向本质上是其塑性变形能力对低温和高加载速率的适应性的反映。

材料韧脆转变温度的影响因素主要有： 化学成分、晶粒尺寸、显微组织 。

合金元素对韧脆转变温度的影响

间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度 t _k 提高；置换原子只有 Ni 、 Mn 降低 t _k ； S 、 P 、 As 等偏聚与晶界，降低材料韧性。

韧脆转变温度与铁素体晶粒直径的关系

（细化晶粒，材料的韧性增加，韧脆转变温度 t _k 降低）

分析：晶界是裂纹扩展的阻力；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小，避免了产生沿晶脆性断裂。

显微组织的韧脆转变温度 t _k 由高到低：珠光体 > 上贝氏体 > 铁素体 > 下贝氏体 > 回火马氏体。

球化处理可改善钢的韧性；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。

3.11  相关标准