从金属材料的断面纤维率的如何判断金属材料的冲击吸收功

金属材料的纤维断面率和韧性断面率的关系

断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。断面收缩率越高，说明钢材塑性越大。钢材塑性大，不仅便于进行各种加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。因为钢材的塑性变形能调整局部高峰应力，使之趋于平缓，以免引起建筑结构的局部破坏及其所导致的整个结构破坏；钢材在塑性破坏前，有很明显的变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救。

试样拉伸时，在缩颈出现以前，材料承受单向拉应力；缩颈出现以后，缩颈处承受三向拉应力。该指标反映了材料在单向拉应力均匀变形阶段和三向拉应力局部变形阶段的塑性的变总和！，断面收缩率是材料的局部变形能力，在材料变形过程中，存在着加工硬化和加工软化两个过程。当材料收到外力变形时，试样在拉力情况下延伸变形，断面积减小，单位面积上的拉力增加。当局部的截面变细时，加工硬化使其变形抗力增加，进而整体协调变形的能力增加，试样仍就具有整体均匀变形的趋势，直到材料达到塑性极限，延伸率最大，进一步变形，材料发生局部缩颈，并很快达到断裂极限，这种情况获得的是较大的延伸率和较小的断面收缩率；而当材料表现为加工软化现象时，首先变细的截面变形抗力反而减小，单位面积承受的拉力更大，导致该截面的面积进一步减小，缩颈明显增加，进而可以得到相对较高的断面收缩率和较低的延伸率。因此，断面收缩率的大小反映了材料的局部变形能力，反映了材料变形的失稳能力。越容易造成材料变形失稳的材料，其断面收缩率就可能越大！

试验方法：

材料：许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模

等。制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。

试样采用标准V型试样10X10X55mm

采用液氮为冷却介质，试样在冷却介质中保温15分钟，过冷度2度

不同温度下的冲击试验见表一及图一

.3 韧性

金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，称为金属材料的韧性。常用韧度来衡量金属材料的韧性好坏，但习惯上，韧性和韧度不加严格区分。由于断裂前金属材料所受力的类型、大小不同，材料的韧性也表现为不同的形式，这里介绍冲击韧性和断裂韧性。

1.3.1冲击韧性

材料不仅受静载荷的作用，在工作中，往往也受到冲击载荷（以很大的速率作用于工件上的载荷）的作用。例如，锻锤和锻模、冲头和冲模、活塞和连杆、铆钉枪等，材料在受到冲击时，由于时间短，速度快，应力集中，因此这些零件和工具在设计和制造时，不能只考虑静载荷强度指标，必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。

金属材料在冲击载荷作用下，抵抗变形、破坏的能力叫做冲击韧性。材料冲击韧性通常用一次冲击试验来测定，用冲击吸收功表示冲击韧性的大小。

1．摆锤式一次冲击弯曲试验

摆锤式冲击试验原理如图1-7所示，试验时，将标准试样 放在试验机的支座上，把质量为m的摆锤抬升到一定高度H1，然后释放摆锤、冲断试样，摆锤依靠惯性运动到高度H2。

冲击过程中如果忽略各种能量损失（空气阻力及摩擦等），摆锤的位能损失mgH1-mgH2＝mg（H1-H2）就是冲断试样所需要的能量，即是试样变形和断裂所消耗的功，也就称为冲击吸收功AK。即AK＝mg（H1-H2）。式中，G表示摆锤的重量；AK表示冲击吸收功。U型缺口试样和V型缺口试样分别表示为AKU和AKV，其单位是焦耳（J）。冲击吸收功的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。

冲击韧度用αK=AK/S来计算。式中，S表示试样缺口处的横截面积（cm2）。

把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，冲击吸收功高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平直、呈晶状或瓷状，有金属光泽；而韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。

2．低温脆性

有些金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故，造成巨大损失。

通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关

系曲线。如图1-8所示，冲击吸收功随温度降低而减小，在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。

韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好。例如，我国的南极科学考察所用的设备、工具等，工作的温度可能在-50℃以下，要求材料必须有更低的韧脆转变温度，才能保证正常工作。

3．冲击韧性的用途

AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。由于冲击吸收功对材料内部组织十分敏感，因此在生产、科研中得到应用。主要应用如下：

（1）评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度。

（2）评定材料的冶金质量和热加工产品质量。通过测定AK和对试样断口分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。

（3）评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。实践表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强；但在小能量多次冲击的情况下，决定材料抗冲击能力的主导作用是强度，提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命。

1.3.2断裂韧性

为了防止零件发生断裂失效（有关失效，可参阅课本第12章），传统方法是以材料的屈服强度为依据，同时对材料的塑性指标、冲击吸收功等提出一定的要求。即

式中，σ—工作应力；[σ]—许用应力；σ0.2—材料的屈服强度； —安全系数。

一般认为，零件在工作时的应力小于许用应力，就不会发生塑性变形而失效，更不会发生断裂。但在一些高强度钢和超高强度钢制造的零件（或构件）或中、低强度钢制造的大型件中，出现了脆性断裂，而工作应力却远小于材料的屈服强度。我们把这种在屈服强度以下发生的脆性断裂称为低应力脆断。

什么原因造成低应力脆断呢？20世纪50年代发展起来的断裂力学对此进行了研究。大量事实分析表明，低应力脆断是由于材料中宏观裂纹扩展引起的，而传统设计是在假设材料中不存在宏观裂纹的基础上进行的，但实际材料在冶炼、加工及零件使用工程中，宏观裂纹往往是不可避免的。零件工作时，裂纹尖端处于应力集中状态，尽管工作应力远小于屈服强度，但裂纹尖端的应力处于相当高的水平，当尖端应力超过原子间结合力时，裂纹就会扩展，从而导致低应力脆断。因此，裂纹是否易于扩展，就成为材料是否易于断裂的一种重要指标。