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，