金属材料冲击试验中的断裂过程

当物体以一定速度作用在工件上时，物体的速度发生急剧变化。由于物体的惯性，使工件受到很大的作用力，这种载荷称为冲击载荷。在冲击载荷作用下工件中所引起的应力可能很大，称为冲击应力。而材料的力学性能数据也不能用静载荷下测定的数据评价。锻造、冲压等实际加工过程中均存在冲击应力问题。计算冲击问题时一般仅关心变形与应力的瞬时最大值。下面以受到纵向冲击为例进行力学分析，见图2-9[3]。

图2-9 中刚体A 的重量为Q，杆的长度为l，面积为F，弹性模量为E。

根据机械能守恒定律可以推导出下列公式：

式中，δd 与σd 分别为冲击变形量与冲击应力；δs 与σs 分别为静载荷下应变与静载荷下应力，其中，σs＝Q/F，δs＝Ql/EF；Kd 称为冲击时动荷系数。

如果h＝0 则kd＝2，说明当重量Q 不是由高度落下，而是突然加在kd 杆端上，杆的变形与冲击力将是静载荷的2 倍。如果h 很大，则动载荷系数为

可以求出在h 很大的情况下的动载荷应力：

对式（2-9）分析可以发现：动载荷应力与杆的体积Fl 和材料的弹性模量有关，为降低杆的动载荷应力，除增大杆的截面积外，还可以增加杆的长度，或者选用弹性模量较小的材料，这一点与静载荷不同。在静载荷条件下，静应力与杆的长度及材料性质无关。

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图2-9　计算冲击变形与应力

上面推导出的公式可以用于其他杆件情况，如图2-10 所示。

图2-10　计算水平杆件冲击变形与应力

一个重为Q 的物体A 从高度h 自由落下，打到一个简支梁的中点。已知在梁中点有静载荷Q 作用时梁的挠度：

将δs 代入式（2-9）可以求出冲击时梁的变形与冲击应力。当h 很大时：

水平杆件受冲击模型与测定材料的冲击韧性试验有些类似，但是计算静载荷下所受应力σs 时应该考虑缺口效应产生的应力集中（应力集中问题见2.2 节），式（2-11）修正为

式中，K 是静载下由于缺口引起的应力集中系数（见2.2 节）。由（2-12）式可见，材料的弹性模量增加会引起动应力增加。采用表面处理技术，可以在表面形成化合物层，提高疲劳强度与耐磨性能，由于化合物层一般均有高的弹性模量，所以带来的负面影响是增加动荷应力。