金属系列冲击试验指导提纲111郭会明资料.docx
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金属系列冲击试验指导提纲111郭会明资料
专业：
[材料科学与工程]
学生姓名：
[郭会明]
指导教师：
[]
完成时间：
[]
金属系列冲击实验报告
一、试验内容、目的与要求
1、了解摆锤冲击试验的基本方法。
2、通过测定低碳钢、工业纯铁和T8钢在不同温度下的冲击吸收功，观察比较金属韧脆转变特性。
二、实验原理
韧性是材料承受载荷作用指导发生断裂的过程中吸收能量的特性。
冲击试验是在高速载荷作用下材料韧性的通用试验方法，试验测量结果为冲击吸收功。
采用系列冲击试验，即测定材料在不同温度下的冲击吸收功，可以确定其韧脆转变温度。
国标规定用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口进行一次性打击，测量试样折断时的冲击吸收功。
一次摆锤冲击试验是目前广泛使用的一种冲击试验方法，它是将规定形状尺寸的试样放置在固定支架上，然后把具有一定位能的摆锤释放，使试样承受冲击弯曲载荷以至断裂。
摆锤冲击试验装置的工作原理是：
冲击前以摆锤位能形式存在的能量中的一部分被试样在受冲击后发生断裂的过程中所吸收。
摆锤的起始高度与它冲断试样后达到的最大高度之间的差值可以直接转换成试样在冲断过程中所消耗的能量。
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：
0.01mm
恒温槽
型号：
3.5P瓶胆保温桶
温度计
温度计最小分度：
1℃
测量误差：
±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。
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。
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%
0
29
44
70
82
100
100
完成人
T8
Ak/J
31
25.5
5
3.5
断口解理面积%
100
100
100
100
完成人
纯铁
Ak/J
>280
>241.5/>273
>242/6
6
断口解理面积%
0
0/0
0/100
100
完成人
表2第二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
>300
148
130/110
94.5
25
>195/>67
4
断口解理面积%
0
26
100
22/78
100
完成人
T8
Ak/J
34
15
6
5
断口解理面积%
100
100
100
100
完成人
纯铁
Ak/J
>300
>300/223
7.5/8
6
断口解理面积%
0
0/0
100/100
100
完成人
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
Q235
T8钢
工业纯铁
韧脆转变温度DBTT
-15℃
>78℃
-35℃
韧脆转变温度FATT
-8℃
>78℃
-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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