金属系列冲击试验指导提纲111郭会明资料Word格式文档下载.docx
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冲击断裂后试样吸收的功成为冲击功，冲击功除以试样缺口处的横截面积所得的商称为冲击韧性，以ak表示。
反映了在指定温度下，材料在缺口和冲击加载速度的载荷共同作用下的脆化趋势和程度。
因为在这种情况下，材料的脆性主要是由缺口造成的，由于冲击载荷作用时间极短，缺口应力集中不可能很快松弛，塑形变形仅局限在缺口附近极局部的区域，塑形变形不能充分进行，为增大材料脆断倾向提供了条件。
正因为它反映了材料的脆断趋势，因此缺口冲击试验的最大意义在于，确定材料韧脆转化的一定温度范围。
三、材料、试样与试验设备及试验程序
1、试验材料与试样
试验材料：
低碳钢、工业纯铁和T8钢
低碳钢又称软钢，含碳量从0.10％至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造,，焊接和切削，常用於制造链条，铆钉，螺栓，轴等。
碳含量低于0.25％的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。
它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。
本试验选择的低碳钢为Q235钢，为普通低碳钢，屈服强度为235MPa。
由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。
工业纯铁是钢的一种，其化学成分主要是铁，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。
因为它实际上还不是真正的纯铁，所以称这一种接近于纯铁的钢为工业纯铁。
一般工业纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。
常见的有两种规格，一种是是作为深冲材料的，可以冲压成极复杂的形状；
另一种是作为电磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。
T8属于碳素工具钢；
淬硬型塑料模具用钢。
淬火回火后有较高硬度和耐磨性，但热硬性低、淬透性差、易变形、塑性及强度较低。
用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种工具，如形状简单的模子和冲头、切削金属的刀具、打眼工具、木工用的铣刀、埋头钻、斧、凿、纵向手用锯、以及钳工装配工具、铆钉冲模等次要工具。
横梁式夏比缺口冲击试验，试样上有V或U形缺口，也叫做夏比缺口，是截面为（10*10mm）的方棒，一面中间有一45度的V形缺口（深2mm，根部直径2mm）试验中还要根据需要加热或者保温到规定的温度。
本试验中采用的为U形缺口，缺口深度为2mm，根部直径为2mm
2、试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备
摆锤冲击试验机
型号JB-300B
显示方式度盘显示
冲击能量150/300J
分度值：
1J/2J
误差：
±
0.5J
试样尺寸10（7.5、5、2.5）mm×
10mm×
55mm
工具显微镜
型号：
15JE
测量范围：
50x50mm
测量精度：
0.01mm
测量误差：
恒温槽
3.5P瓶胆保温桶
温度计
温度计最小分度：
1℃
0.5±
3、试验步骤或程序
3.1、材料与试样
试验材料为低碳钢、工业纯铁和T8钢，横梁式夏比缺口冲击试验，试样上有V或U形缺口，也叫做夏比缺口，是截面为（10*10mm）的方棒，一面中间有一45度的V形缺口（深2mm，根部直径0.25mm）试验中还要根据需要加热或者保温到规定的温度。
3.2、试验准备
将试样放在支座上，缺口背对摆锤放置，将一定冲击功的摆锤从高处放下，然后冲击支座上的试样，将试样冲断或者冲弯。
在冲击试验机上会有冲击功的数值显示。
将此数值记录下来。
3.3、调节温度
在领取试样后，根据加热或者冷却温度的不同，将班级分为七组，每组的温度分别为78℃、18℃、-3℃、-20℃、-30℃、-40℃、-60℃，每个小组内有低碳钢、工业纯铁和T8钢的试样。
在-40℃的小组中，将试样编号，放到相应的恒温槽中，试样的缺口要朝下放置，同时将温度计和镊子放到锅中的酒精中浸泡。
然后将液氮倒入恒温槽中，用盖子盖好，进行降温。
当温度降到-40℃时，开始计时，保温3分钟，然后降到-40.5℃时将温度计取出，等待冲击试验进行。
3.4、试验测试
将冷却到规定温度的试样放到冲击试验机的支座上，然后将试验机的指针清零，然后释放摆锤，将试样冲断或者冲弯后，读取冲击试验机上的数值，即为此温度下，相应样品的冲击功，为ak。
3.5、断口形貌与脆断区面积测量
对于-20℃，Q235钢，冲击后的脆性断裂区并不是100%，也不是0，因此要对脆性区的面积要进行测量，测量的工具为工具显微镜。
将样品放到工具显微镜的载物台上，然后在目镜中观察试样，将目镜中的中心十字线对准脆性区的一个顶角，然后记录工具显微镜上的横纵坐标的数值，依次测量脆性区的其他三个顶角，记录相应的坐标值。
将四个顶角的坐标值相减，可以得到脆性区的上下底和高（脆性区的形状一般为梯形，如果脆性区为100%，则形状与原来的正方几乎相同）。
四、试验结果与分析讨论
1、试验数据处理与分析讨论
1.1断口形貌
如图1所示的为Q235低碳钢冲断后的断口形貌。
通过图片可以清晰地看到，在冲断的表面有一大片的脆性区，脆性区有很多的光亮的小表面，这是断裂后表面的小晶面。
在脆性区的底部有一窄条的韧性区。
韧性区表面不光亮，这是因为断裂形成剪切唇或者韧窝，呈现纤维状，这些对光的反射不是很强烈，因此不光亮。
图1冲断后的Q235低碳钢断口形貌
通过工具显微镜的测量，可以得到脆性区的尺寸。
由此可以得到脆性区的百分比为
1.2、各个温度下的冲击功和脆性区百分比
表1第一小组冲击试验数据汇总
系列冲击试验数据
温度
78
18
-3
-20
-30
-40
-60
Q235
Ak/J
278
145
124.5
94.5
72
22
6
断口解理面积%
29
44
70
82
100
完成人
T8
31
25.5
5
3.5
纯铁
>
280
241.5/>
273
242/6
0/0
0/100
表2第二小组冲击试验数据汇总
300
148
130/110
25
195/>
67
4
26
22/78
34
15
300/223
7.5/8
100/100
由此可以得到韧脆转变曲线
Q235低碳钢的韧脆转变曲线如下图所示
图2Q235低碳钢的韧脆转变曲线（温度-百分比曲线）
图3Q235低碳钢的韧脆转变曲线（温度-冲击功曲线）
T8钢的韧脆转变曲线如下图所示
图4T8钢的韧脆转变曲线（温度-冲击功曲线）
图5T8钢的韧脆转变曲线（温度-百分比曲线）
工业纯铁的韧脆转变曲线如下图所示
图6工业纯铁的韧脆转变曲线（温度-百分比曲线）
图7工业纯铁的韧脆转变曲线（温度-冲击功曲线）
通过以上曲线可以得到Q235低碳钢、T8钢、工业纯铁的韧脆转变温度为脆性区为50%时所对应的温度。
因此可以得到如下
表3低碳钢、T8钢、工业纯铁的韧脆转变温度
T8钢
工业纯铁
韧脆转变温度DBTT
-15℃
78℃
-35℃
韧脆转变温度FATT
-8℃
-40℃
2、试验结果的分析讨论
通过比较三种材料的韧脆转变温度可以知道
1、Q235低碳钢的韧脆转变温度较低，在常温下有很好的韧性，但是在特殊环境下，例如在东北地区，这种材料的使用要考虑到冬季低温下的脆性转变。
2、T8钢的韧脆转变温度较高，说明在常温下T8钢的塑形较差，容易发生脆性断裂，在使用过程中应该考虑，不能运用在要求较高韧性的地方。
3、工业纯铁的韧脆转变温度最低，说明工业纯铁在常温下有很好的韧性。
材料的韧性和脆性是相对的，不同材料的韧性和脆性不同，同一种材料在不同的环境中也呈现出不同的性质，因此非常有必要对材料的韧脆性和韧脆转变进行测定。
同时影响材料韧脆转变的因素也很多。
（1）力学因素的影响
在受力过程中，当应力状态软性系数α>
τs/σf时，材料在任何一种加载方式时，破坏前产生明显塑形变形状态，称为软状态；
若有某种原因使应力状态软性系数α下降，当α<
τs/σf时，说明应力状态从软变硬，意味着该材料在任意一种加载方式下，破坏前将不产生塑形变形，变成脆性断裂。
（2）温度的影响
一般情况下，降低温度总是增加材料的致脆倾向。
在外载作用下，温度越低，塑形变形越困难，导致脆性断裂，随着温度的升高，材料发生由脆性断裂向韧性断裂的变化。
本实验中采用的工业纯铁的试样为bcc结构，随着温度的降低，τs/σf逐渐增大，使应力状态软性系数α<
τs/σf，导致弹性变性后直接的脆性断裂，而在较高温度下，由于τs/σf降低，使得α大于它，导致受载后发生经弹性变形到塑形变形最后以塑形切断结束。
（3）加载速度的影响
提高加载速度与降低温度的作用类似，是导致材料脆化的因素之一。
在高速加载的条件下，由于比较高的应力水平，在使多个位错源同时开动时位错密度大幅度提高，致使金属材料中塑形变形难以充分进行，导致塑形变形的不均匀，限制了塑形变形的发展。
（4）材料结构与性质
Bcc结构金属如超高强钢等的bcc结构强化材料，由于多种强化手段大幅度提高了材料的切变屈服强度τs，而对σf的影响不明显，因此往往显示脆性。
四、试验结论
通过本次的冲击实验可以得到以下几个结论：
（1）摆锤冲击实验可以测定在一定条件下金属的冲击功，并由此初步判断材料的韧脆性。
（2）系列冲击实验可以测定某种金属材料的韧脆转变温度，确定材料的使用温度范围。
（3）在试验中的工业纯铁试样存在韧脆转变现象，韧脆转变温度为-35℃；
低碳钢试样存在韧脆转变现象，韧脆转变温度为-15℃；
T8钢由于碳含量较高，珠光体较多，冲击实验中体现为脆性断裂，没有
韧脆转变现象。
参考文献
[1]GB/T229-1994金属夏比缺口冲击试验方法[S].1994.
[2]杨王玥，强文江，等.材料力学行为[M].北京：
化学工业出版社，2009.
[3]XX百科，
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