《材料性能學(xué)》第一章.ppt

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1、1,1.3 硬 度,一、硬度試驗(yàn)的意義 硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能硬度試驗(yàn)與靜拉伸試驗(yàn)一樣也是一種應(yīng)用十分廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法硬度試驗(yàn)方法有十幾種， 按加載方式基本上可分為 動(dòng)載壓人法：回跳法肖氏硬度 錘擊式布氏硬度 壓人法 靜載壓人法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏 硬度 硬度和顯微硬度 刻劃法：莫氏硬度順序法 挫刀法 壓人法的硬度值是材料表面抵抗另一物體局部壓入時(shí)所引起的塑性變形能力，靜載壓入法應(yīng)用最廣。 刻劃法硬度值是材料表面對(duì)局部切斷破壞的抗力,,,2,二、硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn),硬度不是一個(gè)單純物理量，表征材

2、料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列物理量組合的綜合性能指標(biāo)。應(yīng)用很廣泛。 1硬度試驗(yàn)所用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便快捷； 2不受場(chǎng)地條件等限制； 3基本上不破壞工件，可在成品上直接檢驗(yàn) 4. 所有金屬在硬度試驗(yàn)中都能產(chǎn)生塑性變形，可以測(cè)定所有金屬材料包括淬火鋼、硬質(zhì)合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度 廣泛用來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)熱處理的工件質(zhì)量和進(jìn)行材料研究,3,三、硬度試驗(yàn)方法 1、 布氏硬度（HB） （1）測(cè)定原理 ：用一定大小的載荷(P)將直徑為d的球形壓頭壓入工件表面，保持一定的時(shí)間后卸載，然后用載荷（P）除以壓痕的表面積（A）所得的值為布氏硬度，即：,布氏硬度： HB=P/A=P/Dh 可以看到壓痕直

3、徑d比壓痕深度h測(cè)定方便。 根據(jù)幾何關(guān)系：,4,當(dāng)載荷單位為kgf時(shí)，有 當(dāng)載荷單位為N時(shí)，有 只有d為變量，試驗(yàn)時(shí)只要測(cè)出壓痕直徑d（mm），即可通過計(jì)算或查表得到HB值。 布氏硬度單位為kgf/mm2，或者M(jìn)Pa，但是一般不標(biāo)注單位。,表示方法：數(shù)字+符號(hào)(HBS/HBW)+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字 HBS壓頭是硬質(zhì)淬火鋼球；HBW壓頭為硬質(zhì)合金球 如： 380 HBS 10/3000/30 10mm直徑的淬火鋼球，在3000kgf載荷下保持30s后的硬度值為380,5,（2）布氏試驗(yàn)原理： 金屬有軟有硬，工件有厚有薄，要求采用不同的和搭配。 問題？如何使同一材料在不同的和搭配下試驗(yàn)時(shí)能獲

4、得相同的HB值,,6,角相同時(shí)，只需要P/D2為一定值，就能使大小、薄厚不同的同一材料獲得相同的布氏硬度值，這就是壓痕相似性原理。,相等 得到相同的壓痕形狀（壓痕相似原理）,,需要HB相等,P/D2和相等,7,國(guó)家規(guī)定P/D2值為30,10，2.5三種。鋼球直徑一般取10，5,2.5mm三種，相應(yīng)的載荷包括3000,1000,750,250，187.5，62.5，15.6kgf。 對(duì)于不同的金屬和試樣厚度，采用不同P和D組合。,8,試樣厚度至少要為壓痕深度的10倍,9,（3）布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 采用較大直徑的壓頭和壓力，因而壓痕面積大，能反映出較大體積范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能，而

5、不受個(gè)別相和微區(qū)不均勻性的影響。 特別適宜于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；虼执蠼M成相的金屬材料； 試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好；試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來(lái)。 缺點(diǎn)： 由于測(cè)定布氏硬度時(shí)壓痕較大，故不宜在零件表面測(cè)定布氏硬度，也不能測(cè)定薄壁件或表面硬化層的布氏硬度，不宜在成品件上檢驗(yàn)。 因需測(cè)量壓痕直徑的d值，操作和測(cè)量都需較長(zhǎng)時(shí)間，故在要求迅速檢定大量成品時(shí)需要耗費(fèi)大量的人力。 在試驗(yàn)前需要根據(jù)材料的厚度和軟硬程度，反復(fù)試驗(yàn)更換壓頭的直徑和所需的載荷。 布氏硬度主要用于金屬材料中較軟或者中等硬度的材料。,10,2、洛氏硬度,（1）測(cè)試原理 洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗(yàn)方法，其原理不是通過

6、測(cè)壓痕面積求得硬度值，而是以測(cè)量壓痕深度值的大小來(lái)表示材料的硬度值，用HR表示,11,洛氏硬度壓頭有兩種： （1）圓錐角為120、尖端曲率半徑為R=0.2mm的金剛石圓錐體，適用于淬火鋼等硬度較高的材料； （2）直徑為D=1.588mm或D=3.175mm的淬火鋼球，適用于有色金屬等硬度較低的材料。,12,測(cè)試原理： 載荷分先后兩次施加，先加初載荷F1 ，壓入深度為h1 再加主載荷F2 ，壓入深度為h2 保持一段時(shí)間后卸載F2，彈性恢復(fù)h3后殘余壓痕深度為h+h1,,硬度越大，壓痕深度越小,13,每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位。 對(duì)于金剛石壓頭，k取0.2mm；對(duì)于淬火鋼球壓頭，k取0.2

7、6mm。 則HR為洛氏硬度值，一般可直接從表盤上快速讀出數(shù)據(jù)。,,（2）洛氏硬度的級(jí)數(shù) 為測(cè)試從軟到硬所有的材料，需要采用不同的壓頭和載荷，標(biāo)尺的取值也就不一樣。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鐘包括AS共15種標(biāo)尺，最常用的為A、B、C三種，硬度值用HRA、HRB、HRC表示。,14,常見洛氏硬度級(jí)數(shù),金剛石圓錐 壓頭 初載荷10kgf 主載荷50kgf 測(cè)量高硬度 薄件、硬質(zhì) 合金 測(cè)試范圍6085,1.6直徑鋼球壓頭 初載荷10kgf 主載荷90kgf 測(cè)量碳鋼、 有色金屬、 可鍛鑄鐵 測(cè)量范圍25100,金剛石圓錐 壓頭 初載荷10kgf 主載荷140kgf 測(cè)量淬火鋼、 工具鋼、高 硬鑄鐵

8、 測(cè)量范圍20-67,15,（3）洛氏硬度優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： 因由硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問題； 操作簡(jiǎn)單，硬度值可從硬度計(jì)的表盤上直接讀出，簡(jiǎn)便迅速，工效高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)； 壓痕小，不傷工件表面，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn)； 因加有預(yù)載荷，可以消除表面輕微的不平度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。,16,缺點(diǎn)： 用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值無(wú)法進(jìn)行比較，無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)； 由于壓痕小，所以洛氏硬度對(duì)材料組織的不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差，因而 不適用于具有粗大組成相（如灰鑄鐵中的石墨片）或不均勻組織材料的硬度測(cè)定。,17,3、維氏硬度（HV）,布氏硬度試

9、驗(yàn)只能測(cè)定硬度值小于450HB（或650）的材料。 洛氏硬度雖可測(cè)定各種材料的硬度，但由于在不同的硬度范圍所使用的標(biāo)尺不同，所測(cè)硬度值不能直接換算。 因此為了使軟硬不同的各種材料有一個(gè)連續(xù)一致的硬度指標(biāo)，制定了維氏硬度試驗(yàn)法,18,（1）測(cè)試原理,與布氏硬度基本相似，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來(lái)計(jì)算硬度值的所不同的是維氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭是兩相對(duì)面夾角為1360的金剛石四棱錐體。,19,在載荷F的作用下，試樣表面壓出四方棱形壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d，計(jì)算壓痕面積A，以F/A值表示試樣硬度，用HV表示。 壓痕面積為 維氏硬度為,一般也不標(biāo)注單位,20,載荷： 49.1N（5kgf），98

10、.1N（10kgf），196.2N（20kgf），294.3N（30kgf），490.5N（50kgf），980N（100kgf） 選擇的載荷應(yīng)使試樣或試驗(yàn)層厚度大于1.5d，滿足此條件下，盡可能選用較大載荷。 表示方法： 數(shù)字+HV+數(shù)字/數(shù)字 如：640HV30/20 ？什么意思,21,（2）優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： A.壓痕幾何形狀相同，載荷大小可以選擇，所得硬度值相同。 B.維氏硬度法測(cè)量范圍寬，軟硬材料都可測(cè)試，并且比洛氏硬度法能更好的測(cè)定薄件或薄層的硬度，因而常用來(lái)測(cè)定表面硬化層以及儀表零件等硬度。 C.角錐壓痕輪廓清晰，采用對(duì)角線長(zhǎng)度計(jì)量，精確可靠。 D.當(dāng)材料的硬度小于450HV時(shí)，維氏

11、硬度值與布氏硬度值大致相同。 缺點(diǎn)： 需通過測(cè)量對(duì)角線后才能計(jì)算（或查表）得到，生產(chǎn)效率沒有洛氏硬度高。,22,4、顯微硬度,其實(shí)即為小載荷下的硬度試驗(yàn)，一般采用小于2的載荷。原理與維氏硬度相同。故一般又稱為顯微維氏硬度，表示為 。 特點(diǎn)： 由于壓痕微小，可以研究微小區(qū)域的硬度。 但是需要拋光，制成金相試樣后測(cè)量。 一般用于材料研究,23,、努氏硬度,試驗(yàn)原理與維氏硬度相同，也是一種顯微硬度試驗(yàn)方法。所不同的是努氏壓頭是一個(gè)菱形的金剛石椎體，形貌如圖所示，壓頭的兩個(gè)對(duì)角面不等，在縱向上椎體的頂角為17230，橫向上椎體的頂角為130，在試樣上得到長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度為短對(duì)角線長(zhǎng)度7.11倍的菱形壓痕，

12、壓痕深度約為其長(zhǎng)度的1/30。,測(cè)量長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度l，則努氏硬度值為,只需測(cè)量長(zhǎng)對(duì)角線，精確度較高！,24,努氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn),適用于測(cè)定脆性材料。故適用于測(cè)定玻璃、瑪瑙、紅寶石等脆性材料的硬度，壓痕不易產(chǎn)生碎裂。 誤差小 壓痕淺，更適用于薄件及表面層的硬度試驗(yàn)，如表面滲層、鍍層的硬度分布。 壓頭制造困難，制造精度要求高 測(cè)定各向異性的材料會(huì)因測(cè)試方向不同而由差異 對(duì)試樣表面光潔度要求更高。,25,6、肖氏硬度,肖氏（Shore）硬度試驗(yàn)是一種動(dòng)載荷實(shí)驗(yàn)法 原理為將一定質(zhì)量的帶有金剛石或合金鋼球的重錘從一定高度h0落向試樣表面，由于試樣的彈性變形重錘回跳高度h1，根據(jù)兩個(gè)高度的比值計(jì)算肖氏硬度（H

13、S），肖氏硬度又叫回跳硬度。,HS越大，回跳高度越高，材料硬度越高。,26,標(biāo)準(zhǔn)重錘從一定高度落下，以一定的動(dòng)能沖擊試樣表面，使金屬產(chǎn)生彈性變形和塑性變形。重錘的沖擊能一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃喂Ρ辉嚇游?，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥宰冃喂?chǔ)存在試樣中。當(dāng)彈性變形恢復(fù)時(shí)，能量被釋放，使重錘回跳一定高度。 金屬屈服強(qiáng)度越高，塑性變形越小，儲(chǔ)存彈性能量越高，重錘回跳高度越高，表明金屬越硬。 肖氏硬度值只有在金屬?gòu)椥阅Ａ肯嗤瑫r(shí)才可以比較。,27,優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 一般為手提式，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量迅速，壓痕小，攜帶方便，可以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大件金屬制品的硬度，如大型冷軋輥的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)就是肖氏硬度值。 缺點(diǎn)： 大小取決于材料的彈性

14、性質(zhì)。因此，彈性模量不同的材料，其結(jié)果不能相互比較，例如鋼和橡膠的肖氏硬度值無(wú)法比較。 測(cè)定結(jié)果受人為因素影響較大，精確度較低。,28,7、莫氏硬度,莫氏硬度，表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。1812年由德國(guó)礦物學(xué)家莫斯(Frederich Mohs)首先提出。 應(yīng)用劃痕法將棱錐形 金剛鉆針刻劃所試礦物的表 面而發(fā)生劃痕，習(xí)慣上礦物 學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)上都是用莫氏硬 度。,29,早期的莫氏硬度分十級(jí)來(lái)表示硬度：滑石1（硬度最?。?，石膏2，方解石3，螢石4，磷灰石5，正長(zhǎng)石6，石英7，黃玉8，剛玉9，金剛石10。,30,硬度值并非絕對(duì)硬度值，而是按硬度的順序表示的值。應(yīng)用時(shí)作刻劃比較確定硬度。鑒定時(shí)，在未知礦物

15、上選一個(gè)平滑面，用上述一直礦物中的一種在選好的平滑面上用力刻劃，如果在平滑面上留下刻痕則，表示該未知物的硬度小于已知礦物的硬度。 如某礦物能將方解石刻出劃痕，而不能刻螢石，則其莫氏硬度為34，其他類推。莫氏硬度僅為相對(duì)硬度，比較粗略。雖滑石的硬度為1，金剛石為10，剛玉為9，但經(jīng)顯微硬度計(jì)測(cè)得的絕對(duì)硬度，金剛石為滑石的4192倍，剛玉為滑石的442倍。 莫氏硬度應(yīng)用方便，野外作業(yè)時(shí)常采用。,書P42 19題,1布氏硬度，用于退火鋼、鑄鐵、有色金屬等較軟的材料 以及粗大組織的材料，如灰鑄鐵。 2洛氏硬度，淬火鋼等較硬的材料，特別適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè) 3維氏硬度，適用于各種金屬，精度高，特別適

16、用于科學(xué)研究 4顯微硬度，適用于金屬各顯微組織的硬度及微小零件的硬度 5. 努氏硬度，適用于脆性材料及薄件及表面層的硬度試驗(yàn) 6. 肖氏硬度，適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量彈性模量相同的材料 7. 莫氏硬度，適合與礦物質(zhì)硬度的測(cè)試,31,32,常用材料的硬度,,,,鍵合愈強(qiáng)，硬度愈高。 硬度與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)系。,,,,33,1.4 缺口效應(yīng),在大部分機(jī)械零件或構(gòu)件上，都存在著鍵槽、臺(tái)階、螺紋、油孔、 刀痕、鑄造或焊接所帶來(lái)的孔洞、砂眼以及裂紋等，使得機(jī)件截面積急劇變化。這種截面急劇變化的部位類似存在“缺口”。 這些缺口有的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上所必須得，有的是原材料或制造工藝過程中所不可避免的。 由于缺口的存在，會(huì)引

17、起受載后在缺口處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，如應(yīng)力集中、應(yīng)變集中，并且形成雙向或三向應(yīng)力狀態(tài)，增加了材料的脆化趨勢(shì)。,34,光滑構(gòu)件受單向載荷時(shí)，其橫截面上各部分均勻分擔(dān)載荷，即各點(diǎn)應(yīng)力是相等的。 但對(duì)于帶缺口的構(gòu)件，缺口上下的自由表面不能承擔(dān)載荷，必然會(huì)將這部分載荷分?jǐn)偟洁徑慕缑嫔?，并且這樣的分?jǐn)偸遣痪鶆虻?，越靠近缺口端，分?jǐn)偟脑蕉唷?缺口效應(yīng)1 缺口頂端應(yīng)力集中,缺口效應(yīng)1應(yīng)力集中,35,缺口根部軸向應(yīng)力最大，取決于缺口的幾何參數(shù)，即缺口的形狀、深度以及根部的曲率半徑等。其中以根部曲率半徑影響最大，曲率半徑越小，缺口越尖銳，應(yīng)力越大。 缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中的程度用應(yīng)力集中系數(shù)Kt表征 max為缺口

18、頂端最大應(yīng)力； 為平均應(yīng)力，即遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力。 在彈性范圍內(nèi)，Kt決定于缺口的幾何形狀和尺寸,36,缺口效應(yīng)2兩向或三向應(yīng)力狀態(tài),對(duì)于薄板來(lái)說(shuō) 缺口前方：x0，y0，z=0，為兩向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài) 缺口根部：x=0，y0，z=0，為單向拉伸狀態(tài),37,假設(shè)將薄板從缺口根部沿x軸把平板分割成多個(gè)小拉伸試樣a、b、c、d等等 由于位置不同，縱向應(yīng)力y不同，相應(yīng)的縱向應(yīng)變y也不同，則對(duì)應(yīng)每一小試樣的橫向應(yīng)變x不同。 如橫向收縮可以自由 進(jìn)行，則每個(gè)小試樣會(huì) 被拉開。薄板是連續(xù)介 質(zhì)，各部分不能自由收 縮變形，為保證整體連 續(xù)性，各小試樣在相鄰 界面上必然產(chǎn)生橫向拉 應(yīng)力x，以阻止橫向收 縮分離。 x的出

19、現(xiàn)是材料變形 連續(xù)性要求的結(jié)果,38,在缺口根部，材料能自 由收縮，所以根部的 x=0，從缺口根部向內(nèi) 發(fā)展，收縮變形的阻力增 大，因此x也逐漸增大。 當(dāng)增大到一定數(shù)值后，隨 著y的不斷減小，x也 隨著下降。 對(duì)于薄板，在垂直于板面 方向基本可以自由收縮，因 此z=0。 所以具有缺口的薄板受到拉伸后，中心部分是兩向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài)，但在缺口處為單向應(yīng)力狀態(tài)。,39,缺口效應(yīng)2兩向或三向應(yīng)力狀態(tài),對(duì)于厚板來(lái)說(shuō) 厚板在受到拉伸作用后，在垂直于板厚的方向收縮變形受到約束，所以z0. z=（x+y） 缺口前方：x0，y0，z 0，為三向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài) 缺口根部：x=0，y0，z 0，為兩向拉伸

20、應(yīng)力狀態(tài),40,缺口效應(yīng)3缺口強(qiáng)化,由于存在缺口的條件下，出現(xiàn)了三向應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力集中，為滿足復(fù)雜應(yīng)力的屈服條件y-x=s，試樣的屈服強(qiáng)度提高。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料的屈服應(yīng)力比單向拉伸時(shí)要高，即產(chǎn)生缺口效應(yīng)3“缺口強(qiáng)化”現(xiàn)象。,缺口處局部區(qū)域屈服后的應(yīng)力分布,但是，不能把“缺口強(qiáng)化”當(dāng)成是一種強(qiáng)化材料的手段。,41,無(wú)論是脆性材料還是塑性材料，缺口根部的應(yīng)力集中會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生生成，加上根部多向拉應(yīng)力狀態(tài)使構(gòu)件產(chǎn)生變脆傾向，降低了材料使用的安全性。 缺口脆化 在有缺口的狀態(tài)下，不同材料脆化傾向不同。脆化傾向越小，有缺口的構(gòu)件脆斷的趨勢(shì)越小。 對(duì)于帶缺口的構(gòu)件，選用材料時(shí)除考慮一般力學(xué)性能外，

21、還要考慮缺口脆化傾向 缺口敏感度,42,一般采用缺口試樣的靜拉伸、偏斜拉伸和缺口試樣的靜彎曲試驗(yàn)，可以測(cè)定缺口敏感度，評(píng)定不同材料的缺口變脆傾向。 缺口敏感度q缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與同一材料等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度的比值 q越大，缺口敏感度越小。,43,說(shuō)明,脆性材料的q總是小于1，即缺口試樣的抗拉強(qiáng)度小，即缺口根部未發(fā)生明顯變形時(shí)就已經(jīng)斷裂。 塑性材料的q一般大于1，即缺口試樣的抗拉強(qiáng)度大，說(shuō)明缺口處發(fā)生了塑性變形，對(duì)缺口敏感度較小。q越大，塑性變形量越大，缺口敏感性越小，甚至不敏感。 高強(qiáng)度材料的q一般也小于1。 說(shuō)明在選用制作缺口零件時(shí)，不能盲目追求高強(qiáng)度，而應(yīng)注意足夠

22、的塑性。 材料的缺口敏感度與材料本身性能、缺口形狀、尺寸有關(guān)。 缺口敏感度指標(biāo)和材料的塑性指標(biāo)一樣，是衡量材料安全性的力學(xué)性能指標(biāo)之一。,44,1.5 材料的沖擊韌性 在實(shí)際的生產(chǎn)中很多機(jī)件和工具、模具在服役期間會(huì)受沖擊載荷的作用。 如火箭的發(fā)射 飛機(jī)的起飛和降落 行駛的汽車通過道路上的凹坑 內(nèi)燃機(jī)膨脹沖程中氣體爆炸推動(dòng)活塞和連桿使活塞和連桿間發(fā)生沖擊 金屬件的沖壓和鍛造加工 鍛錘、沖床、鉚釘槍等 本章主要介紹材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為和性能特點(diǎn),45,沖擊載荷下的變形與斷裂,機(jī)件在沖擊載荷下的失效類型與靜載荷一樣，表現(xiàn)為過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂。 靜載荷下機(jī)件所受的應(yīng)力，主要與機(jī)

23、件形狀及載荷的類型和大小有關(guān)。靜拉伸的應(yīng)變率為10-510-2s-1 沖擊載荷下，由于載荷的能量性質(zhì)使整個(gè)承載系統(tǒng)承受沖擊能，機(jī)件及與機(jī)件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的持續(xù)時(shí)間，從而影響加速度和慣性力的大小。沖擊試驗(yàn)的應(yīng)變率為102104s-1高應(yīng)變速率,46,彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的。金屬中的聲速是相當(dāng)大的，鋼中為4982m/s。普通沖擊載荷的絕對(duì)變形速度只有5-5.5m/s，所以沖擊彈性變形總能跟上沖擊外力的變化。 但是沖擊載荷下，由于應(yīng)力水平較高，使得許多位錯(cuò)源同時(shí)開動(dòng)，沖擊載荷又會(huì)增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，使塑性變形難以充分進(jìn)行。 靜載荷下，塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中

24、，而在沖擊載荷下塑性變形則比較集中在某些局部區(qū)域中，塑性變形極不均勻。這種不均勻的情況限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，且屈服強(qiáng)度提高較多。 低塑性！,47,為了評(píng)定材料承受沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為，就需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn),1、沖擊試驗(yàn) 大能量沖擊試驗(yàn)沖擊韌度，韌脆性質(zhì)，試驗(yàn)簡(jiǎn)單。 小能量多次沖擊試驗(yàn)測(cè)定材料的多沖抗力。 沖擊拉伸試驗(yàn)材料在高速加載下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗(yàn)困難。,48,一、夏比缺口沖擊試驗(yàn),將擺錘升高到H1高度，獲得位能GH1，釋放擺錘沖斷試樣后擺錘的剩余能量為GH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能為GH1-GH2，此即為

25、試樣變形和斷裂所吸收的功，稱為沖擊吸收功，以AK表示，單位為J。,沖擊韌度,49,夏比缺口沖擊試驗(yàn),對(duì)金屬材料在動(dòng)負(fù)荷下抵抗沖擊的性能進(jìn)行檢驗(yàn)，是冶金、機(jī)械制造等單位必備的檢測(cè)儀器，也是科研單位進(jìn)行新材料研究不可缺少的測(cè)試儀器。,測(cè)定材料的沖擊韌度、評(píng)定材料的韌脆性質(zhì),50,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊彎曲試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣分別為夏比(charpy)U型缺口試樣和夏比V型缺口試樣，兩種試樣的形狀及尺寸如圖所示。所測(cè)得的沖擊吸收功分別記為AKU和AKV 。 另外，測(cè)量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊功時(shí)，常采用無(wú)缺口沖擊試樣。,51,試樣開缺口的目的是為了使試樣在承受沖擊時(shí)在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局

26、限在缺口附近不大的體積范圍內(nèi)，保證試樣一次就沖斷且使斷裂就發(fā)生在缺口處。正確測(cè)定材料承受沖擊載荷的能力。,缺口試樣的擺放位置,缺口越深、越尖銳，沖擊功越低，材料脆化傾向越嚴(yán)重。,不同類型、尺寸試樣的沖擊功不能相互換算和直接比較,52,2、沖擊功和沖擊韌性,沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功表示。 其實(shí)，沖擊吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韌脆程度。因?yàn)槿笨谠嚇記_擊吸收的功并非完全用于試樣變形和斷裂。 其中有一部分功消耗在試樣擲出、機(jī)身震動(dòng)、空氣阻力及軸承與測(cè)量機(jī)構(gòu)的摩擦中等。一般情況下，金屬材料在擺錘沖擊試驗(yàn)中，這些功是忽略不計(jì)的。 在不同

27、的試驗(yàn)機(jī)上測(cè)得的沖擊吸收功彼此可能相差10%-30%。,53,長(zhǎng)期以來(lái)，人們習(xí)慣把a(bǔ)k所謂評(píng)定材料抵抗沖擊載荷作用的抗力指標(biāo)，用來(lái)表示材料的韌脆程度，并且在設(shè)計(jì)中作為保證構(gòu)件安全性的指標(biāo)之一。 但是ak表示的是在單位面積上吸收的沖擊功，物理意義不明確，因?yàn)?試樣斷裂行為在斷面上不均勻。 缺口處應(yīng)力分布不均勻，塑性變形程度也不同。 國(guó)際上采用Ak作為材料承受沖擊載荷的抗力指標(biāo)。,54,3、沖擊試驗(yàn)的用途,1、反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。 通過測(cè)量沖擊吸收功和對(duì)沖擊試樣的斷口進(jìn)行分析，可以揭示原材料中的夾渣、氣泡、偏析以及夾雜物等冶金缺陷，以及過熱、過燒、回火脆性等熱加工缺陷。因?yàn)闆_

28、擊韌度對(duì)組織缺陷十分敏感，故通過測(cè)定沖擊韌度可以間接的評(píng)定冶金缺陷和熱加工缺陷的嚴(yán)重程度。,55,2、測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)（低溫沖擊試驗(yàn)）可以獲得ak與溫度的關(guān)系曲線，從而可以測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，評(píng)定材料的低溫脆性傾向，供選材時(shí)參考或用于抗脆斷設(shè)計(jì)。 系列沖擊試驗(yàn)將試樣在所需要的溫度（包括低溫、高溫）下保持一段時(shí)間后達(dá)到規(guī)定的溫度，然后迅速將試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，在試樣溫度還來(lái)不及變化時(shí)將試樣沖斷。,56,3、評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的抗力指標(biāo),對(duì)于承受大能量沖擊的機(jī)件，Ak值可以作為一個(gè)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，表示材料承受大能量沖擊的抗力，以防發(fā)生脆斷。但是，Ak或ak不能直接用來(lái)設(shè)計(jì)或計(jì)算，只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)作為選材的依據(jù)。 s大致相同的材料，根據(jù)Ak值可以評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性。,57,應(yīng)變時(shí)效主要發(fā)生在低碳鋼中，經(jīng)冷加工后長(zhǎng)期處于較高溫度下工作，塑性和韌性會(huì)降低，屈服強(qiáng)度升高。 鋼中氧、氮、錳、銅會(huì)顯著提高應(yīng)變時(shí)效傾向，鎳可降低該傾向。由于應(yīng)變時(shí)效可以導(dǎo)致鋼材塑性急劇下降，脆性增加，所以常常需要防止其發(fā)生。 材料時(shí)效前后的沖擊功之差與時(shí)效前的沖擊功之比的百分比即應(yīng)變時(shí)效敏感性。,4、確定應(yīng)變時(shí)效敏感性,