第三章金属在冲击载荷下的力学性能要点分析.ppt

主要内容 TITANIC与冲击载荷 §3.1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 冲击载荷与静载荷比较： 均为弹性变形、塑性变形、断裂。 加载速率不同 应变速率 冲击力测不准! 假定冲击能→弹性能，能量守恒 应变速率对材料的弹性行为及E无影响 4982m/s 5～5.5m/s 冲击载荷下塑性变形难以充分进行且极不均匀 应变速率硬化 σs、σb升高 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性 BCC（HCP）（F+P钢） 温度下降时tk： 材料状态：韧性状态→脆性状态 断裂机理：微孔聚集→穿晶解理 断口特征：纤维状→结晶状 材料由韧性状态变为脆性状态的温度，tk 出现的原因： 二、韧脆转变温度 系列(温度)冲击弯曲试验 冲击吸收功-温度曲线 断口形貌中各区所占面积和温度曲线 塑性变形量与温度曲线 求得tk 1. 按能量定义tk的方法 (1) 下平台， “低阶能”。NDT: 100％结晶断口 (2) 上平台， “高阶能”。 FTP：100％纤维区 (3) 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE 2. 按断口形貌定义tk的方法 温度下降，材料由韧变脆 取结晶区占整个断口面积50%时的温度为tk，记为50%FATT(Fractrue Appearance Transition Temperature)或FATT50、t50 3. 韧脆转变温度储备 韧性指标 安全性指标 tk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。 韧脆转变温度储备 △t＝t0-tk △t取值： 20℃~ 60℃ 三、落锤试验（DWTT） 50年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出 用于测定全厚钢板的NDT 零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分 §3.4 影响韧脆转变温度的冶金因素 一、晶体结构 BCC及合金存在低温脆性 三、晶粒大小 细化晶粒→韧性增加 (1) 晶界是裂纹扩展的阻力； (2) 晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中； (3) 晶界上杂质浓度减小，避免了沿晶脆性断裂 第二相性质、形态、尺寸、大小、分布有显著影响 本章小结 缺口冲击弯曲试验 冲击韧性（吸收功），AKU 材料性能学 Property of Materials 中国石油大学 China University of Petroleum 材料性能学 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 低温脆性 影响韧脆转变温度的冶金因素 冲击弯曲和冲击韧性 冲击载荷下金属变形和断裂特点 建造中的Titanic 号 沉没原因： 船体材料差 低温环境 冲击载荷 Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果 Titanic 近代船用钢板 Titanic ——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。 10-4~10-2 静载荷处理 10-2 考虑应变速率影响→脆性增大 一次摆锤冲击弯曲试验 (GB/T 229-1994) 加载速率+缺口效应 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 冲击吸收功（Ak）：摆锤冲断试样所失去的能量，单位为J。 冲击韧度（ak）：单位为J/cm2 韧性与温度有关——脆性转变温度TK Ak或ak越大，韧性越好 试样尺寸： 10×10×55mm； 无缺口 U缺口：Aku或aku V缺口：Akv或akv 技术参数： 冲击能量：300J、150J/500J、250J 摆锤预扬角：150o 冲击速度：5.2m/s~5.4m/s 试样支座跨距：40mm 钳口圆角：R1-1.5mm 试样规格：55×10×10mm JB-300/500W微机控制冲击试验机 一、低温脆性现象 t（温度）↓ σs急剧增加 σc基本不变 韧脆转变温度 摩擦阻力 晶格阻力 位错阻力 晶格阻力对温度敏感， 且bcc和hcpfcc 与温度基本无关 Ttk时: 当σsσc，韧断 Ttk时: 当σsσc，脆断 组成：垂直导轨、重锤和砧座组成 Φ25mm，50HRC 340~1650J 25mm×90mm×350mm 19mm×50mm×125mm API RP 5L3 GB/T8363-1987 温度下降 不裂； 拉伸表面部分形成裂纹，但未发展到边缘； 拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边； 试样断成两部分 NDT确定：取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边的最高温度。 落锤试验的缺点： 未考虑板厚的影响 不能定量评定脆性断裂 四、断裂分析图（FAD） 300 200 400 25 弹性 塑性 Ⅰ区可能发生脆断 Ⅱ区可能发生韧断 Ⅲ区不断