第三章 材料的冲击韧性及低温脆性

1. 第三章    材料的冲击韧性及低温脆性 冲击载荷的特点 1、冲击载荷加载速率高，而静载荷加载速率低。 2、在冲击载荷下，冲击应力不仅与零件的断面积有关， 而且与其形状和体积有关。若零件不含切口，则冲击能 被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。若零件中有切口，则切 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。

2. 第一节 冲击弯曲试验与冲击韧性 冲击韧性:材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。用能 量定性地表示材料的力学性能特征的物理量。

3. 一、冲击弯曲试验 摆锤式冲击试验机

4. ①原理： 将试样水平放置在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。 试验时，将摆锤置于H1位置，位能GH1，释放摆锤冲断 试样后，剩余能量GH2，则GH1-GH2即为试样变形和断 裂吸收的功—冲击吸收功AK，单位“J”。 试样冲断时所消耗的冲击功A k为: A k = m g H1 – m g H2 (J)

5. 2、 多次冲击试验 当冲击次数少于500~1000次，试样断裂规律与一次冲击 相同. 当冲击次数大于（N）>105时，断口具有典型的疲劳断口 特征，因此应进行小能量的多次冲击试验。 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验机PC-150上进行， 冲击频率为450周次/min，600周次/min，冲击能量0.1~1.5J 可调。

6. 冲击功A-冲断次数N曲线，A↑→N↓。

7. 二、冲击韧性及其工程意义 1、  一次冲击 ① 冲击韧度 FN缺口处截面面积 αk表示单位面积的平均冲击功值。 αk是一个综合力学性能指标，与材料的强度和塑性有关。

8. a、检查金属的冶金质量和热加工质量 缺陷：气孔、夹杂、偏析、分层、过热、 过烧、回火脆性等。 ② 一 次 冲 击 弯 曲 试 验 的 用 途 b、测定材料的冷脆性转变温度， Ak～T曲线 c、σs相近的材料，根据Ak值评定材料对大能 量冲击破坏的缺口敏感性。 d、反映材料对一次和少数次大能量冲击断裂的抗力， 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；

9. 2、  多次冲击 ①衡量指标：冲击能量A～冲击次数N。 ②材料对多次冲击的抗力取决于以下因素： a、冲击能量高时，材料的抗多次冲击能力主要取决于 塑性；冲击能量低时，材料抗多次冲击能力则主要取决 于强度。 大多数受多次冲击载荷作用的零件属于小能量冲击， 因此强度是影响零件寿命的主要因素。

10. 35钢：经200℃、500℃回火后的多冲击曲线，两条曲线在35钢：经200℃、500℃回火后的多冲击曲线，两条曲线在 102周次左右相交。交点以左，经500℃回火钢塑性高、 强度低，其冲击疲劳抗力高，寿命长；交点以右，冲击 能量低时，经200℃回火钢塑性低, 强度高，其冲击疲劳 抗力高，寿命长。 回火：当把钢中的马氏 体加热到共析温度下的 某一温度时，就会沉淀 出稳态的α相和Fe3C， 这种处理称为回火。

11. b、不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合b、不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合 图为40钢在不同能量下的冲断次数与回火温度关系曲线， 曲线有峰值，且峰值随冲击能量的增大，向高温方向移动。 表明：不同冲击能量下，欲使 寿命提高，需不同的强度—塑 性配合。 锻锤锤杆：45Cr 油淬+650℃回火 ，αk高，塑性高，强度低，易折断，寿命低。 改用盐水淬火+350～500℃中温回火，强度提高， αk与塑性降低，使用寿命明显提高。

12. c、 αk值对冲击疲劳抗力的影响 材料强度不同，塑性和冲击韧性对冲击疲劳抗力的 影响不同。 ⅰ、高强度钢、超高强钢，塑性和冲击韧性作用大。 ⅱ、中、低强度钢，塑性、冲击韧性作用不大， 因为中、低强度钢的冲击韧性已经较高。

14. 四、冲击脆化效应 弹性变形以声速在介质中传播，在金属介质中声速很大 4982m/s，而普通摆锤冲击试验时，绝对变形速度只有 5～5.5m/s，冲击弹性变形总能跟上冲击外力的变化， 因而应变速率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有 影响；而应变速率对塑性变形、断裂有显著影响。

15. 冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，结冲击载荷作用下，瞬间作用于位错上的应力相当高，结 果造成位错运动速率增加，使滑移临界切应力增大，金 属产生附加强化。使许多位错源同时开动，抑制了单晶 体的滑移，同时，冲击载荷增加位错密度，出现孪晶， 减小位错运动自由行程的平均长度，增加点缺陷的浓度， 塑性变形不均匀等等，这些都使金属塑性受到抑制 бs↑↑，бb↑→冲击脆化。

16. 材料塑性与应变速率之间并无单值依存关系一般，材料塑性与应变速率之间并无单值依存关系一般， 缺口试样冲击试验时的塑性低于静载试验高速变 形时，某些金属可能显示高塑性。 如密排六方金属的爆炸成型

17. 第二节 低温脆性 一、系列冲击实验与低温脆性 1、系列冲击实验：不同温度下对同一种材料进行冲击 实验。分别在低温、室温和高温下对材料进行冲击实验， 得到不同温度下材料的系列冲击值Ak（或αk），从而 获得Ak—t，或αk—t曲线。

18. 2、低温脆性 体心立方、密排六方金属或合金在温度低于tk时，由 塑韧性状态变为脆性状态，Ak↓↓的现象，称为 低温脆性。 材料发生冷脆性转变的温度→冷脆性转变温度tk

19. 材料低温脆性的产生：与бs、бc随温度变化有关材料低温脆性的产生：与бs、бc随温度变化有关 金属先屈服后断裂，即韧性断裂。 ① t>tk，бc>бs 金属还没有屈服及发生断裂，即脆性断裂。 ② t<tk，бc<бs 面心立方金属бs随温度变化不大， 故在很低温度下仍未与бc曲线相 交，故不表现低温脆性现象。 奥氏体不锈钢可以用作低温钢

20. 二、冷脆性转化温度及其评价方法 韧性 材料塑性变形和断裂全过程吸收能量的能力，它是强度和 塑性的综合体现。因而在特定条件下，能量、强度和塑性 都用来表示韧性。 所以依照试样断裂消耗的功，断裂后塑性变形的大小及断 口形貌均可确定tk。

21. 1、按能量法定义冷脆性转变温度tk 能量、强度、塑性都可用来表示tk 当低于某一温度时材料吸收的 冲击能量基本不随温度而变化， 形成一平台（低阶能），以低 阶能开始上升的温度定义tk， NDT—nil ductility temperature，即无塑性（零塑性）转变温度。 在 NDT以下，断口有100%结晶区（解理区）组成。

22. 2、当温度高于某一温度时，材料吸收的能量基本不变，2、当温度高于某一温度时，材料吸收的能量基本不变， 形成一个平台（高阶能），以高阶能对应的温度定义为 tk，FTP（fracture transition plastic）。 高于FTP的断裂， 断口为100%的纤维状断口。 该定义tk的方法， 最为保守。

23. 3、以高阶能和低阶能的平均值对应的温度定义tk，FTE（fracture transition elastic）。 4、以Akv=15呎磅（20.3N·m） 对应的温度定义tk， V15TT。 根据实践经验，若冲击韧性大 于15呎磅或在V15TT以上工作， 低碳钢船用钢板就不会发生脆 性断裂。

24. 5、冲击试样断裂后，断口形貌如图 缺口分为纤维区，放射区（结晶区）和剪切区，在不同 温度下，三个区的相对面积是不同的。 温度下降到某一临界值时，纤维 区面积突然减少，结晶区面积突 然增大→材料由韧变脆，当结晶 区面积占整个断口面积50%时的 温度定义为tk，50%FATT或 FATT50（fracture appearance transition temperature） 50%FATT反映了裂纹扩展变化特征，可以定性评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的 能力。

26. 冷脆性转变温度 tk反映了温度对材料韧、脆性的影响， 也是一种安全性指标。 t工作>tk，机件安全 余量:Δ=t0-tk，取20～60℃ 对于受冲击载荷的重要零件， Δ取上限； 不受冲击载荷作用的非重要零件， Δ取下限

27. 三、影响材料低温脆性的因素 1、晶体结构的影响 体心立方、密排六方金属及其合金存在低温脆性，面心 立方金属及其合金一般不存在低温脆性。 产生原因 迟屈服现象，б>бs高速加载，体心立方金属瞬间并不 屈服，经过一段时间后才发生屈服，且温度越低，持续 时间越长（不屈服，就不能削减应力峰值），这为裂纹 的发生和扩展创造了有利条件。

28. 2、化学成分的影响 ①  间隙溶质元素含量增加， 晶格畸变程度加大，位错 运动阻力提高,屈服强度升高，脆性增大，韧脆转变温度 提高。 ②  置换型溶质元素影响较小（也提高冷脆性转变温度）。 ③  杂质元素S、P、Pb、Sn、As偏聚于晶界，产生 沿晶脆性断裂，提搞了冷脆性转变温度。

30. 3、显微组织的影响 ① 细化晶粒，可提高材料的韧性，冷脆性转变温度下降。 原因 晶界是裂纹扩展的阻力；晶界增多有利于降低应力集中， 降低晶界上杂质度，避免产生沿晶界脆性断裂。

32. 铁素体：碳原子溶入到α-Fe的八面体间隙内形成的间隙铁素体：碳原子溶入到α-Fe的八面体间隙内形成的间隙 式固溶体。 奥氏体：碳原子溶入到fcc的γ-Fe中的八面体间隙内形 成的间隙式固溶体。 渗碳体：是铁和碳形成的稳定化合物Fe3C. 贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体 为基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、 韧性的最佳组合。 较高温度下形成上贝氏体，粗大。 较低温度下形成下贝氏体，细小。

33. 马氏体：含碳低于0.2%的钢，在淬火或快冷条件下，马氏体：含碳低于0.2%的钢，在淬火或快冷条件下， FCC的奥氏体转变为马氏体。无韧性，硬。 回火马氏体：十分细小的渗碳体在铁素体中的混合物， 是在马氏体形成之后重新加热时形成的。比马氏体韧 性改善。 回火索氏体(tempered martensite)是马氏体于回火时形成 的，是铁素体与粒状碳化物的混合物 。 贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体为 基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、韧性 的最佳组合。 较高温度下形成上贝氏体，粗大 较低温度下形成下贝氏体，细小

34. ② 金相组织 a、较低强度水平（低碳钢），回火索氏体最好tk↓↓， 下贝氏体组织次之tk↓，层片状珠光体最差tk↑。 b、中、高碳钢，等温淬火→下贝氏体组织tk↓↓， 优于淬火+回火→回火马氏体组织。 c、相同强度水平，上贝氏体的tk高于下贝氏体组织 （低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性）。

35. d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体 的混合组织，其韧性比单一贝氏体或单一马氏体组织好。 晶粒细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变 方向（多裂纹陶瓷相似）消耗能量较大，故钢的韧性较高。

36. e、马氏体钢中存在稳定的残余奥氏体，可抑制解理断e、马氏体钢中存在稳定的残余奥氏体，可抑制解理断 裂，从而显著改善钢的韧性。 f、 第二相的影响取决于第二相的形状、尺寸、分布状态、 第二相本身的性质以及与基体的结合力。 第二相以球状、细小、均匀分布→tk↓，韧性较好

37. 4、温度的影响 蓝脆 碳钢、合金钢在一定温度范围内出现脆性，而在该温 度范围内，钢表面氧化为蓝色，故称为蓝脆。 静拉伸： 蓝脆的温度范围为230～370℃。 冲击载荷：蓝脆的温度范围为525～550℃。

38. 5、加载速率的影响 提高加载速率，其作用如同降低温度，使材料脆性增大， 冷脆性转变温度提高。 加载速率对 tk的影响与钢的强度水平有关 ①  中、低强度钢的 tk对加载速率比较敏感。 ②  高强度和超高强度钢的 tk对加载速率的敏感性较小。

39. 6、试样形状和尺寸的影响 缺口曲率半径越小，tk越高，即V缺口试样的tk高于U 缺口试样。 不改变缺口尺寸，只增加试样的厚度时，tk升高；试样 各部分尺寸按比例增大时，tk升高。 试样尺寸增大，应力状态变硬，且缺陷增多， 脆性增大→tk↑。

41. 作 业 第三章 1、名词解释：冲击吸收功；低温脆性；冷脆性转 变温度（韧脆转变温度） 2、用图说明体心立方（密排立方）金属的低温脆 性现象。 3、影响材料低温脆性的因素有哪些？