3. 沖擊韌性

沖擊就是以很大的速度将負荷(沖擊負荷)作用到機器零件上去的一種加載方式，在機械設計中必須考慮沖擊問題，盡可能地使它們不受沖擊負荷的作用。當然，生産上有時要利用沖擊負荷來實現靜負荷難以實現的效果，如沖床、鍛錘、鑿岩機、鉚釘槍等都是利用沖擊負荷進行工作的。材料的韌性同其屈服應力和塑性有一定的關系。而材料的屈服應力與塑性值則又同應力狀态、加載速度、溫度因素等有密切的關系。因此，通過對韌性的測定不僅能靈敏地反映出組織的特征，而且還能反映出變形速度及溫度對韌性的影響。

沖擊負荷和靜負荷的主要差别在于負荷速度不同。負荷速度指單位時間内單位面積下載荷增加的數值，其單位為MN/m2 .s（MPa/S）。由于負荷速度增加，形變速度也随之增加。形變速度指單位時間的變形量，有兩種表示方法：

①變形速度v=dl/dt，l是試樣長度，t是時間，單位為m/s；

②應變速度ε=dε/dt，ε為試樣的真應變，單位是s-1。由于dε=dl/t，故兩種變形速度的關系為ε=v/t。

一般都将試樣制成帶缺口的形式，圖 1.18 為夏比沖擊試樣(charpy specimen)，以增加韌性材料的脆斷傾向，因為缺口部分的材料在受沖擊力的作用而變形時，處于三軸拉應力狀态，更不易于發生塑性變形之故。

式中 Ak ——試樣擊斷時所消耗之沖擊功(J)；

F——缺口處的截面積(m2 )。

生産上習慣地把αk 看成是材料韌脆程度的度量及材料承受沖擊負荷抗力的指标。其實，αk 本身并沒有明确的物理意義，以αk 值的大小作為材料韌脆程度的度量是不确切的。

所謂脆性斷裂是指驟然發生傳播很快的斷裂，斷裂前(裂紋産生)及伴随着斷裂過程(裂紋擴展)都缺乏明顯的塑性形變。可見隻有與裂紋産生過程的塑性形變相聯系的能量(塑性功)以及與裂紋擴展過程的塑性形變相聯系的能量(裂紋擴展功)才是材料韌脆程度的度量。

沖擊韌性試驗還經常用于測定材料的韌脆轉變溫度。韌脆轉變溫度是材料在用缺口試樣進行沖擊試驗時，其斷口形态(由韌性斷口轉變為脆性斷口)以及斷裂時所需之能量發生明顯變化的溫度。這一溫度值的高低對于評價鋼的脆性傾向(尤其低溫脆性)非常重要。一般低強度的以鐵素體為基的鋼，其韌性随溫度的降低在某一溫度附近有突變，因而韌脆轉變溫度比較明顯。而對于高強度鋼及面心立方晶格的金屬(如鋁)等，則曲線随溫度的變化很平緩，看不出明顯的轉變溫度。這時往往人為地規定一定的能量值作為韌脆之間的界限，而與此數值相對應的溫度就認為是該項材料的韌脆轉變溫度。

斷裂韌性

材料的斷裂是由于裂紋在應力作用下失穩而擴展的結果，因此，材料的實際斷裂應力應與原始的裂紋長度有關，并與材料抵抗裂紋迅速擴展的能力有關。

對于一個内部沒有宏觀裂紋的均勻試樣，在拉伸時，應力分布是均勻的，如圖 1.20(a)所示。即試樣中每一點的應力都等于外力除以試樣截面積 F。也可以用應力線的概念來描述應力。規定每一點的應力值等于穿過該點單位面積應力線的條數。某一點的應力線密集，則該點的力就大，對于無裂紋試樣，由于每一點應力相同，應力線分布是均勻的。

如果試樣中有長 2a 的宏觀裂紋，受同樣的載荷 P，這時試樣中各點的應力就不再是均勻的了。這是因為裂紋的内表面是空腔，不受應力作用，沒有應力就沒有應力線。但應力線的特點是不能中斷在試樣的内部，故應力線就被迫繞過裂紋尖端，上下相連，如圖 1.20(b)所示。這樣，長為 2a 的裂紋上的應力線就全部被排擠在裂紋尖端，則裂紋尖端應力線密度增大，即裂紋尖端的應力比平均應力要大。而遠離裂紋尖端，則應力線逐漸趨于均勻，等于平均應力。也就是說，在裂紋尖端附近，其應力遠大于無裂紋時的平均應力，即存在應力集中。在外加的應力(斷裂應力)甚至低于材料的屈服應力時，含裂紋試樣裂紋尖端區的應力集中就可能使尖端附近的應力達到材料的斷裂強度，從而使裂紋快速擴展而脆斷。一般含裂紋試樣的實際斷裂應力明顯低于無裂紋試樣，甚至低于材料的屈服強度。

圖 1.20 無裂紋和含裂紋試樣的應力線

由于整個裂紋長度 2a 上的應力線都被排擠在裂紋尖端，故如果裂紋越長，就有更多的應力線被排擠在裂紋尖端，應力集中就更大，試樣就可以在更低的外加應力下斷裂，即斷裂應力更低。對不含裂紋的脆性材料試樣，當外加應力大于抗拉強度時，試樣就會發生斷裂。材料的抗拉強度越高，無裂紋試樣就越不容易斷裂。對含有宏觀裂紋的構件來說，其裂紋越長(a 越大)，則裂紋前端應力集中就越大，裂紋失穩擴展的應力(斷裂應力)就越小。此外，斷裂應力還和裂紋的形狀、加載方式有關。

疲勞強度

所謂疲勞是指零件在遠離該材料屈服極限為低的交變應力較長時間作用下，在沒有明顯的塑性變形征兆下所發生的一種破壞形式。疲勞斷口的宏觀特征通常呈現為兩個斷裂區：即平滑區和粗粒狀區。由于疲勞破壞的突然性，無論是脆性材料還是韌性材料，在破壞前都不出現明顯的材料的"疲勞極限"。影響材料的疲勞應力的因素是非常多的，除了材料本身的材質外，零件的尺寸和形狀、零件表面的粗糙度、零件表層中的内應力的性質和分布狀态、零件所處的環境、介質以及交變應力的幅度、性質及頻率等都對疲勞應力有影響。材料的疲勞問題是目前研究材料力學性能方面的一個極為重要的領域。

疲勞應力的大小及方向均随時間而變化，而且其變化也常常是很不規則的，在進行疲勞試驗時，往往使疲勞應力作規則性變化，因此，在此隻涉及規則性的循環應力。圖 1.21 是幾種常見的循環應力。所有應力值均采用代數值，正号代表拉應力，負号為壓應力。圖 1.21中σmax 表示最大應力；σmin 表示最小應力；σa=（σmax-σmin）/2表示應力幅值；σm=（σmax σmin）/2表示平均應力； R=σmin/σmax表示應力比。

σm = 0，R=-1，為拉壓對稱；

σm= σa，R = 0, σmin=0 ，為周期拉伸循環；

σmin >0 , R>0，為周期拉伸循環；

σmin <0 ，R< 0，為不對稱拉壓循環。

當應力比 R 一定時，材料所受的應力幅值σ a 越大，導緻破壞的循環周數就越小。試驗材料的抗疲勞能力試驗時，按規定的形狀加工試樣，然後在 R 固定情況下施以各種不同應力幅值的交變應力，測定其破斷所需的循環數。以應力幅值σ a 為縱坐标，以破斷循環數 N為橫坐标，即可畫出 S-N 曲線(見圖 1.22)。因為 N 通常都很大，所以橫坐标都采取對數坐标。疲勞壽命對各種因素很敏感，所以 N 的數據很分散。

N 曲線上是若幹數量的試樣數據的平均值，就是說，有 50%的試樣能達到或超過曲線上所指明的壽命，有 50%達不到此壽命。S-N 曲線有兩種典型。碳鋼和一些有色合金(Ti 合金和一些 Al-Mg 合金)的 S-N 曲線在高σ a 和低壽命 N 的部分是一條傾斜的直線；而在低σ a 和高壽命 N 的部分則是一條水平線，這表明當所施的應力幅σ a 足夠低時，材料可以經曆無限循環而不發生破斷。實際上此水平線的應力幅是代表材料抵抗無限應力循環破壞程度達 50%的最大應力，這個應力稱為材料的疲勞極限σ −1 。鋼的 S-N 曲線的拐點壽命約在 106 周～107周之間。另外，許多金屬以及在介質腐蝕或高溫試驗條件下的鋼，S-N 曲線無明顯的拐點，而隻有單調下降的趨勢。這時以規定的疲勞壽命(一般材料為 107周，有色金屬為108周)的斷裂應力幅值為疲勞強度(σ N )。通常用彎曲疲勞試驗機測定疲勞循環數及應力，試樣中除中心軸線以外，其他各部分均受對稱交變拉-壓應力。

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