第03金属在冲击载荷下的力学性能-力学性能学案.ppt

知识扩充 2、试样尺寸及取样部位的影响 试样尺寸增加，韧性下降，断口中纤维区比例减少，韧脆转变温度提高。原因是：尺寸越大，出现缺陷的几率增加、缺口前沿三向拉应力状态加剧、平面应变断口比例增加，使脆断抗力下降。 取样部位不同，其韧性值也不同。 3、应力状态及缺口形式的影响 应力状态越硬，缺口越尖锐，韧性越低，韧脆转变温度越高。 泰坦尼克号（Titanic）中的力学知识 ??? 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。多年来，出版了不少回忆录、小说，演出了不少戏剧、电影。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国《科学大众》（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是『What Really Sank The Titanic』,付标题是“为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。作者出示了下图两个冲击试验结果。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的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。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。 图 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果 下图是建造中的Titanic 号。Gannon 的文章指出，在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。 图? 建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长的焊缝。 * * 第三章 金属在冲击载荷下的力学性能 前面我们讲述的是材料在常温、静载下的力学性能。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。 冲击载荷与静载的主要差异：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。 因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速率的变化。相对变形速率又称应变率。 不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生明显变化。 缺口 冲击载荷 降低温度 钢的冷脆是一种低能量断裂，一般为解理断裂，有时为准解理断裂或沿晶断裂。冷脆的断裂功极低，后果是灾难性的。（原因是断裂面间距为原子间距，力的作用距离只有0.1nm数量级，即使力很大，断裂所消耗的功W=F.S也相当低）。 使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。 （脆断趋势） §3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点 ◆冲击载荷下，整个承载系统承受冲击能，所以机件、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。 ◆由于冲击过程持续时间短，测量不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 1、应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 因弹性变形是以声速在介质中传播的，声速在金属介质中相当大，钢中为4982 m/s，普通摆锤冲击时绝对变形速率只有5～5.5m/s冲击弹性变形总能跟上冲击力的变化。 2、金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行，原因为： ⑴冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。 ⑵冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。 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