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    詳盡金屬力學性能及其試驗(沖擊試驗)

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    材料在沖擊載荷下的力學性能


    3.1 概述

    沖擊試驗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,以測定其吸收能量的一種試驗方法。沖擊試驗對材料的缺陷很敏感,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量。


    材料抵抗沖擊載荷的能力稱為材料的沖擊性能。沖擊載荷是指以較高的速度施加到零件上的載荷,當零件在承受沖擊載荷時,瞬間沖擊所引起的應力和變形比靜載荷時要大的多。


    沖擊載荷和靜載荷的區別在于加載速率不同。加載速率是指載荷施加于試樣或機件的速率,用單位時間內應力增加的數值表示。用形變速率(又分為絕對形變速率和相對形變速率)間接反映加載速率的變化。


    工程中,還有許多機件是快速加載即沖擊載荷及低溫條件下工作的,如:汽車在凸凹不平的道路上行駛;飛機的起飛和降落;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:用規定高度的擺錘對處于簡支梁狀態的缺口試樣進行一次性沖擊,并測量試樣折斷時的吸收能量的試驗。V形缺口由于應力集中較大,應力分布對缺口附近體積塑性變形的限制較大而使塑性變形更難進行。

    不穩定裂紋擴展起始力:力-位移曲線急劇下降開始時的力。

    不穩定裂紋擴展終止力:力-位移曲線繼續下降終止時的力。

    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:斷裂表面一般呈現金屬光澤的晶狀顆粒,無明顯塑性變形的齊平斷面。

    纖維狀斷面:斷口中纖維區的總面積與缺口下方原始截面面積的百分比。

    側膨脹值:斷裂試樣缺口側面每側寬度較大增加量之和。


    3.3 沖擊載荷下材料變形斷裂特點

    沖擊載荷下,機件、與機件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的時間,從而影響加速度和慣性力的大小。

    沖擊過程時間短,測量不準確,通常假定沖擊能全部轉化為機件內的彈性能,再按能量守恒法計算。

    金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進行。


    靜載荷作用時:塑性變形比較均勻的分布在各個晶粒中;

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

    這種不均勻限制了塑性變形的發展,導致了屈服強度、抗拉強度的提高。


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    純鐵的應力-應變曲線

    1—沖擊載荷;2—靜載荷


    塑性、韌性隨應變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關:如果在一定加載條件及溫度下,材料產生正斷,則斷裂應力變化不大,塑性隨著應變率的增加而減??;

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

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    韌性材料沖擊試樣斷口示意圖


    同樣也為纖維區、放射區、剪切唇三個區;

    若試驗材料具有一定的韌性,可形成兩個纖維區即:纖維區放射區纖維區剪切唇;

    裂紋快速擴展形成結晶區,到了壓縮區后,應力狀態發生變化,裂紋擴展速度再次減小,形成纖維區。


    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。常用標準試樣的沖擊吸收功AK來表示。

    作用:揭示冶金缺陷的影響;對σs大致相同的材料,評定缺口敏感性;評定低溫脆性傾向。


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    試樣尺寸:10mm×10mm×55mm


    試樣分為缺口試樣和無缺口試樣。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)

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


    2)沖擊彎曲

    試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行。

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    試驗過程:將樣品水平放在試驗機的支座上,缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質量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,稱為沖擊吸收功,以AK表示,單位為J。

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    對采用U型缺口和V型缺口的試樣,其沖擊功分別用AkuAkv來表示。試驗前需對試驗機進行校核。

    最新現行標準GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》中規定:沖擊吸收能量k代替沖擊吸收功Ak。

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    JB-S300數顯沖擊試驗機

    (擺錘預揚角: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)


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    JB-300/500W微機控制沖擊試驗機

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


    3.5 沖擊試驗的應用

    沖擊試驗最大的優點就是測量迅速簡便。沖擊吸收能量K的大小對材料的組織十分敏感,能反映出材料品質、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。

    沖擊試驗主要應用在以下兩個方面:

    1)控制材料的冶金質量和熱加工后的質量

    通過測量K值和對樣品進行斷口分析,可以:檢驗冶金缺陷——夾渣、氣泡、嚴重分層、偏析以及夾雜物超級等缺陷;檢驗熱加工后質量——鑄造、鍛造、焊接及熱處理后過熱、過燒、回火脆性、淬火和鍛造裂紋等缺陷;


    2評定材料的冷脆傾向

    根據系列沖擊試驗(低溫沖擊試驗)可得K與溫度的關系曲線,測定材料的韌脆轉變溫度,可以評定材料的低溫脆性傾向。

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    三種不同冷脆傾向的材料


    3.6 低溫脆性現象

    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、低強度結構鋼(鐵素體-珠光體鋼),在試驗溫度低于某一溫度tk時,會由韌性狀態變為脆性狀態,沖擊吸收功明顯下降,斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理,斷口特征由纖維狀變為結晶狀,這就是低溫脆性,又稱為冷脆。這種轉變稱為韌脆轉變。轉變溫度稱為韌脆轉變溫度,又稱為冷脆轉變溫度。

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    Titanic號鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗結果


    Titanic號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。

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    斷裂強度和屈服強度隨時間變化示意圖


    低溫脆性是材料屈服強度隨著溫度的降低急劇增加的結果;見右圖,屈服點隨著溫度的下降而升高,但材料的斷裂強度隨著溫度的變化很??;兩線交點對應的溫度就是tk。


    3.7 韌脆轉變溫度

    常用根據能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來定義韌脆轉變溫度tk。

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    低溫脆性金屬材料的系列沖擊結果


    沖擊功隨溫度的變化而變化,能量法有三種:(1)以低階能開始上升的溫度定義為tk,記為NDTNil Ductility Temperature)稱為無塑性或零塑性轉變溫度;(2)以高階能對應的溫度定義為tk,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應的溫度定義為tk,記為FTE(Fracture Transition Elastic)。

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    試驗表明,在不同試驗溫度下,纖維區、放射區與剪切唇三者之間的相對面積(或線尺寸)是不同的。

    溫度下降,纖維區面積突然減少,結晶區面積突然增加,材料由韌變脆。

    通常取結晶區面積占整個斷口面積的50%時的溫度為tk,記為50%FATTFATT50、t50。

    韌脆轉變溫度tk可用于抗脆斷設計、保證機件服役安全,但不能直接用來設計計算機件的承載能力或截面尺寸;機件的最低使用溫度必須高于tk,兩者相差越大越安全,所以選用的材料應該具有一定的韌性溫度儲備,也就是說具有一定的值,△=t0-tk。


    3.8 落錘試驗

    50年代初,美國海軍研究所派林尼(W.S.Pellini)等人提出了落錘試驗方法,用于測定全厚鋼板的零塑性轉變溫度NDT,以作為評定材料的性能標準。

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    落錘試驗示意圖

    (重錘錘頭是一個半徑為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,然后落下重錘進行打擊。隨著試樣溫度的下降,其力學行為發生如下變化:

    不裂拉伸側表面形成裂紋,但未發展到邊緣拉伸側表面裂紋發展到一側邊或兩側邊斷裂。

    一般取拉伸側表面裂紋發展到一側邊或兩側邊的最高溫度為——NDT。


    低強度鋼結構的NDT設計標準

    NDT設計標準:保證承載時鋼的NDT<工作溫度,此時高應力區的小裂紋處不會造成脆性斷裂;

    NDT+33℃設計標準:對結構鋼而言,FTE≈NDT+33℃,適用于原子能反應堆壓力容器標準;

    NDT+67℃設計標準: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堆壓力容器標準。

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    TLC-300落錘沖擊試驗機


    3.9 斷裂分析圖

    斷裂分析圖通過落錘試驗所得NDT可以建立斷裂分析圖Fracture Analysis Diagram,,表示許用應力、缺陷(裂紋)和溫度之間的關系曲線。

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    斷裂分析圖

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


    3.10 影響韌脆轉變溫度的因素

    材料的脆性傾向本質上是其塑性變形能力對低溫和高加載速率的適應性的反映。

    材料韌脆轉變溫度的影響因素主要有:化學成分、晶粒尺寸、顯微組織。

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    合金元素對韌脆轉變溫度的影響


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

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    韌脆轉變溫度與鐵素體晶粒直徑的關系

    (細化晶粒,材料的韌性增加,韌脆轉變溫度tk降低)


    分析:晶界是裂紋擴展的阻力;晶界前塞積的位錯數減少,有利于降低應力集中;晶界總面積增加,使晶界上雜質濃度減小,避免了產生沿晶脆性斷裂。


    顯微組織的韌脆轉變溫度tk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、碳化物等第二相質點對鋼的脆性有重要影響,無論第二相位于晶界還是獨立于基體中,當尺寸增大時材料韌性下降,tk升高。


    3.11 相關標準

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