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材料在沖擊載荷下的力學(xué)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(zhì)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(dāng)零件在承受沖擊載荷時,瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時要大的多。
沖擊載荷和靜載荷的區(qū)別在于加載速率不同。加載速率是指載荷施加于試樣或機(jī)件的速率,用單位時間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)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(jī)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(jī)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(guī)定高度的擺錘對處于簡支梁狀態(tài)的缺口試樣進(jìn)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(yīng)力集中較大,應(yīng)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(jìn)行。
不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力:力-位移曲線急劇下降開始時的力。
不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力:力-位移曲線繼續(xù)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(qū)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(xiàn)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(qū)的總面積與缺口下方原始截面面積的百分比。
側(cè)膨脹值:斷裂試樣缺口側(cè)面每側(cè)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(jī)件、與機(jī)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(zhǔn)確,通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)件內(nèi)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(jìn)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(qū)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(fā)展,導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高。
純鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
1—沖擊載荷;2—靜載荷
塑性、韌性隨應(yīng)變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān):如果在一定加載條件及溫度下,材料產(chǎn)生正斷,則斷裂應(yīng)力變化不大,塑性隨著應(yīng)變率的增加而減?。?/span>
如果材料產(chǎn)生切斷,則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率提高顯著增加,塑性的變化不一定,可能不變或提高。
韌性材料沖擊試樣斷口示意圖
同樣也為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個區(qū);
若試驗材料具有一定的韌性,可形成兩個纖維區(qū)即: 纖維區(qū)—放射區(qū)—纖維區(qū)—剪切唇;
裂紋快速擴(kuò)展形成結(jié)晶區(qū),到了壓縮區(qū)后,應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,裂紋擴(kuò)展速度再次減小,形成纖維區(qū)。
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(biāo)準(zhǔn)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。
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(yīng)力集中,保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)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(xiàn)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?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行。
試驗過程:將樣品水平放在試驗機(jī)的支座上,缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質(zhì)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。
對采用U型缺口和V型缺口的試樣,其沖擊功分別用Aku 和Akv來表示。試驗前需對試驗機(jī)進(jìn)行校核。
在最新現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》中規(guī)定:沖擊吸收能量k代替沖擊吸收功Ak。
JB-S300數(shù)顯沖擊試驗機(jī)
(擺錘預(yù)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)
JB-300/500W微機(jī)控制沖擊試驗機(jī)
(沖擊能量:300J、150J/500J、250J;擺錘預(yù)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(yīng)用
沖擊試驗最大的優(yōu)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(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。
沖擊試驗主要應(yīng)用在以下兩個方面:
(1)控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的質(zhì)量
通過測量K值和對樣品進(jìn)行斷口分析,可以:檢驗冶金缺陷——夾渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析以及夾雜物超級等缺陷;檢驗熱加工后質(zhì)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(jù)系列沖擊試驗(低溫沖擊試驗)可得K與溫度的關(guān)系曲線,測定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,可以評定材料的低溫脆性傾向。
三種不同冷脆傾向的材料
3.6 低溫脆性現(xiàn)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)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(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài),沖擊吸收功明顯下降,斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫?,斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀,這就是低溫脆性,又稱為冷脆。這種轉(zhuǎn)變稱為韌脆轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,又稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。
Titanic號鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗結(jié)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。
斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨時間變化示意圖
低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨著溫度的降低急劇增加的結(jié)果;見右圖,屈服點隨著溫度的下降而升高,但材料的斷裂強(qiáng)度隨著溫度的變化很?。粌删€交點對應(yīng)的溫度就是tk。
3.7 韌脆轉(zhuǎn)變溫度
常用根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk。
低溫脆性金屬材料的系列沖擊結(jié)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NDT(Nil Ductility Temperature)稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度;(2)以高階能對應(yīng)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(yīng)的溫度定義為tk,記為FTE(Fracture Transition Elastic)。
試驗表明,在不同試驗溫度下,纖維區(qū)、放射區(qū)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(qū)面積突然減少,結(jié)晶區(qū)面積突然增加,材料由韌變脆。
通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積的50%時的溫度為tk,記為50%FATT或FATT50、t50。
韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk可用于抗脆斷設(shè)計、保證機(jī)件服役安全,但不能直接用來設(shè)計計算機(jī)件的承載能力或截面尺寸;機(jī)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(yīng)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(zhuǎn)變溫度NDT,以作為評定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。
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(cè),然后落下重錘進(jìn)行打擊。隨著試樣溫度的下降,其力學(xué)行為發(fā)生如下變化:
不裂→拉伸側(cè)表面形成裂紋,但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→斷裂。
一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為——NDT。
低強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的NDT設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
NDT設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):保證承載時鋼的NDT<工作溫度,此時高應(yīng)力區(qū)的小裂紋處不會造成脆性斷裂;
NDT+33℃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):對結(jié)構(gòu)鋼而言,FTE≈NDT+33℃,適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn);
NDT+67℃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):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(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。
TLC-300落錘沖擊試驗機(jī)
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(yīng)力、缺陷(裂紋)和溫度之間的關(guān)系曲線。
斷裂分析圖
A’BC線,又稱為斷裂終止線(CAT),表示不同應(yīng)力水平下脆性裂紋擴(kuò)展的終止溫度。
3.10 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素
材料的脆性傾向本質(zhì)上是其塑性變形能力對低溫和高加載速率的適應(yīng)性的反映。
材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響因素主要有:化學(xué)成分、晶粒尺寸、顯微組織。
合金元素對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響
間隙溶質(zhì)元素含量增加,高階能下降,韌脆轉(zhuǎn)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。
韌脆轉(zhuǎn)變溫度與鐵素體晶粒直徑的關(guān)系
(細(xì)化晶粒,材料的韌性增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk降低)
分析:晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力;晶界前塞積的位錯數(shù)減少,有利于降低應(yīng)力集中;晶界總面積增加,使晶界上雜質(zhì)濃度減小,避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。
顯微組織的韌脆轉(zhuǎn)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(zhì)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(dāng)尺寸增大時材料韌性下降,tk升高。
3.11 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
來源:材易通