实验三系列冲击试验 一 实验目的 1、了解冲击试验机的结构和工作原理，熟悉冲击试验机的操作规程 2、按国标GBT229一1994的规定，掌握一次锤摆冲击试验方法。要求能准确测 定材料的冲击吸收功Aku或Akw。 3、参照GBT229一1994，掌握研究材料冷脆性的方法-系列冲击冲击法以及 数据处理方法 二 实验内容 1、测定被测材料在各试验温度下的冲云吸收功Aku或Aw,并计算出冲击韧性值 aku或av 2、画出冲击吸收功Aku(Akw)及断口结晶状面积百分数与各试验温度间的关系曲 线 3、按两种方法求出被测材料的冷脆转化温度 三 基本概念及测试原理 D 材料I 材料Ⅱ 图3-1两种材料的冲击曲线示意图 工程结构中很多部件是动载荷条件下工作的，为测定金属材料承受动载荷的 能力，即相应的力学性能指标，人们提出了多种动载试验方法，一次摆锤冲击弯 94
94 实验三 系列冲击试验 一. 实验目的 1、了解冲击试验机的结构和工作原理，熟悉冲击试验机的操作规程 2、按国标 GB/T 229—1994 的规定,掌握一次锤摆冲击试验方法。要求能准确测 定材料的冲击吸收功 Aku或 Akv。 3、参照 GB/T 229—1994，掌握研究材料冷脆性的方法--系列冲击冲击法以及 数据处理方法 二. 实验内容 1、测定被测材料在各试验温度下的冲云吸收功 Aku或 Akv，并计算出冲击韧性值 aku或 akv 2、画出冲击吸收功 Aku(Akv)及断口结晶状面积百分数与各试验温度间的关系曲 线 3、按两种方法求出被测材料的冷脆转化温度 三. 基本概念及测试原理 图 3-1 两种材料的冲击曲线示意图 工程结构中很多部件是动载荷条件下工作的，为测定金属材料承受动载荷的 能力，即相应的力学性能指标，人们提出了多种动载试验方法,一次摆锤冲击弯 材料Ⅱ 材料Ⅰ p f o
曲试验就是其中之一，目前在生产上得到广泛的应用，其试验方法都已标准化。 该方法将规定尺寸形状的标准试样放在冲击试验机的砧座上，然后将扬起规 定角度和具有一定位能的摆锤释放，冲断试样，冲断试样所消耗的总功即为试样 断裂前所吸收的能量，也就是材料的冲击吸收功Au或Av。冲断试样所消耗的 总功一般可分为三部分，即消耗于试样弹性变形的弹性功率，消耗于试祥塑性变 形的塑性功，以及消耗于裂纹出现至断裂撕裂功。有时将前两部分统称为裂纹形 成功，后者称为裂纹扩展功。 如果试验机附有示波装置，则可测得冲击试验时的载荷-挠度曲线，参见图 3-1,图中曲线所包围的面积即为试样冲断时所吸收的冲击总功Ak如或Aw。由图 可见，当两种材料的冲击曲线所围的面积相等时则表示两种材料的冲击吸收功完 全相同。但比较两种材料弹性功、塑性功和撕裂功在总功中所占比例的大小时可 以发现，若弹性功所占比例大、塑性功小而撕裂功几乎没有时，则表示扩展在断 裂前塑性变形小，裂纹出现后立即断裂，断口表现为结晶状的跪跪性断裂；反之， 塑性功所占的比例大，表示材料的塑性变形大，撕裂功占的比例大，表示裂纹出 现后扩展阻力大，断口为纤维状的韧性断裂。因此，严格说试样冲击吸收功的大 小并不能确切反映材料的韧和脆。只是其中的塑性变形功，尤其是裂纹扩展功才 能真正衡量材料的韧和脆。但限于实验条件，通常冲击试验只能侧得试样的冲击 吸收功Ak如(Aw),而无法将A。从A中分离出来，因此工程上常用冲击吸收功 Aku(Aku)或冲击吸收功Akw(Akw)除以试样缺口底部处横截面积F所得的冲击 韧性值aku(av)作为评定材料韧脆的指标。横截面积F所得的冲击韧性值aku (av)作为评定材料韧脆的指标。 某些体心立方或密排六方晶格的金属及合金，如回火马氏体、铁素体、珠光 体类型的钢，随着试验温度的下降，冲击吸收功变得很低，这时材料将发生由韧 性断裂状态向脆性断裂状态转化的温度叫冷脆转化温度。 为了了解各种材料随着工作温度下降而变脆的倾向，求得材料的冷脆转化温 度，必须进行系列冲击试验。本实验视材料的具体情况选7~9个温度进行试验、 每个试验温度下冲击试样不少于3个。以求得材料的冲击吸收功或冲击韧性与温 度的关系曲线，（见图3-2a)。该曲线反映了材料随试验退度下降而变脆的倾向。 由曲线可见，冲击吸收功在每曲线上出现两个平台，上平台所对应的为材料在全 8
95 曲试验就是其中之一，目前在生产上得到广泛的应用,其试验方法都已标准化。 该方法将规定尺寸形状的标准试样放在冲击试验机的砧座上，然后将扬起规 定角度和具有一定位能的摆锤释放，冲断试样，冲断试样所消耗的总功即为试样 断裂前所吸收的能量，也就是材料的冲击吸收功 Aku或 Akv。冲断试样所消耗的 总功一般可分为三部分,即消耗于试样弹性变形的弹性功率，消耗于试祥塑性变 形的塑性功，以及消耗于裂纹出现至断裂撕裂功。有时将前两部分统称为裂纹形 成功，后者称为裂纹扩展功。 如果试验机附有示波装置，则可测得冲击试验时的载荷-挠度曲线，参见图 3-1，图中曲线所包围的面积即为试样冲断时所吸收的冲击总功 Aku或 Akv。由图 可见，当两种材料的冲击曲线所围的面积相等时则表示两种材料的冲击吸收功完 全相同。但比较两种材料弹性功、塑性功和撕裂功在总功中所占比例的大小时可 以发现，若弹性功所占比例大、塑性功小而撕裂功几乎没有时，则表示扩展在断 裂前塑性变形小，裂纹出现后立即断裂，断口表现为结晶状的跪跪性断裂；反之， 塑性功所占的比例大，表示材料的塑性变形大，撕裂功占的比例大，表示裂纹出 现后扩展阻力大，断口为纤维状的韧性断裂。因此，严格说试样冲击吸收功的大 小并不能确切反映材料的韧和脆。只是其中的塑性变形功，尤其是裂纹扩展功才 能真正衡量材料的韧和脆。但限于实验条件，通常冲击试验只能侧得试样的冲击 吸收功 Aku（Akv），而无法将 Ap从 Ak中分离出来，因此工程上常用冲击吸收功 Aku(Aku）或冲击吸收功 Akv（Akv）除以试样缺口底部处横截面积 F 所得的冲击 韧性值 aku（akv）作为评定材料韧脆的指标。横截面积 F 所得的冲击韧性值 aku （akv ）作为评定材料韧脆的指标。 某些体心立方或密排六方晶格的金属及合金，如回火马氏体、铁素体、珠光 体类型的钢，随着试验温度的下降，冲击吸收功变得很低，这时材料将发生由韧 性断裂状态向脆性断裂状态转化的温度叫冷脆转化温度。 为了了解各种材料随着工作温度下降而变脆的倾向，求得材料的冷脆转化温 度，必须进行系列冲击试验。本实验视材料的具体情况选 7～9 个温度进行试验、 每个试验温度下冲击试样不少于 3 个。以求得材料的冲击吸收功或冲击韧性与温 度的关系曲线，（见图 3-2a）。该曲线反映了材料随试验退度下降而变脆的倾向。 由曲线可见，冲击吸收功在每曲线上出现两个平台，上平台所对应的为材料在全
韧性状态下的冲出吸收功，下平台对应的为材料在脆性状态下的冲于吸收劝。通 过观察各试验温度下冲断的试样断口，可求得结晶状断口面积百分数与温度的关 系曲线，（见图3-2b)。由上述两条曲线可求得该材料的冷脆转化温度Tk。 8 结 冲 晶 击 状 吸 4 断 收 50 功 面 2 积 0 50%FATT -80 -60-40 -20 0 20 40 温度 图3-2冲击吸收功Akw和结晶断口面积与试验温度的关系曲线示意图 目前常用以下两种方法确定材料的冷脆转化温度： 1、按待定的断口容貌所对应的温度作为材料的冷脆转化温度。通常取结晶 状区面积占断口总面积50%所对应的温度作为材料的冷脆转化温度，并 记为50%FATT。 2、取冲击吸收功下降到某一特定数值时的温度为材料的冷脆转化温度，如 取A,=(4mx+Amin)/2,A=(Ama-Amn)/2或A=0.4Amax时所对应 的温度作为材料的冷脆转化温度Tk。 四. 实验材料和试样 本实验所用材料为热轧低碳钢。关于试样的尺寸及施工要求，GB4159-84 规定以U型缺口试样作为冲击式验的标准试样，其尺寸及工要求见图3-3。试样 冲断时所吸收的冲击功记为Aku(J),GB2106-80规定以夏比(V型缺口)式样为冲 击试验时的标准试样，其尺寸及加工要求见图3-4.试样冲断时所吸收的冲击功， 记为Ak(J) 96
96 韧性状态下的冲出吸收功，下平台对应的为材料在脆性状态下的冲于吸收劝。通 过观察各试验温度下冲断的试样断口，可求得结晶状断口面积百分数与温度的关 系曲线，（见图 3-2b)。由上述两条曲线可求得该材料的冷脆转化温度 Tk。 图 3-2 冲击吸收功 Akv和结晶断口面积与试验温度的关系曲线示意图 目前常用以下两种方法确定材料的冷脆转化温度： 1、 按待定的断口容貌所对应的温度作为材料的冷脆转化温度。通常取结晶 状区面积占断口总面积 50%所对应的温度作为材料的冷脆转化温度，并 记为 50%FATT。 2、取冲击吸收功下降到某一特定数值时的温度为材料的冷脆转化温度，如 取 Ak (Ak max Ak min ) / 2 ， Ak (Ak max Ak min ) / 2 或 4 max 0. Ak Ak 时所对应 的温度作为材料的冷脆转化温度 Tk。 四. 实验材料和试样 本实验所用材料为热轧低碳钢。关于试样的尺寸及施工要求，GB4159-84 规定以 U 型缺口试样作为冲击式验的标准试样，其尺寸及工要求见图 3-3。试样 冲断时所吸收的冲击功记为 Aku( J )，GB2106-80 规定以夏比(v 型缺口)式样为冲 击试验时的标准试样，其尺寸及加工要求见图 3-4.试样冲断时所吸收的冲击功， 记为 Akv( J )。 50 0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 0 2 8 4 b a 50%FATT 冲 击 吸 收 功 结 晶 状 断 口 面 积 温 度
制备试样时，除必须符合图3-3和图3-4的规定外，取样时还必须考虑材料 性能的方向性。 55±0.60 L0.1A L0.1A 10吐0.10 1.6 R10.07 2 6 27.5±0.30 ☑o.1A (B 山 6 L02 B 55t0.60 L01A→ L0.1A 0吐0.i0 (A) R1+0.07 2 1.6 27.5士0.30 o.1A 40.0:0 1.6 B 6 L0.2B 图3-3标准夏比U型缺口试样的尺寸及加工要求 97
97 制备试样时，除必须符合图 3-3 和图 3-4 的规定外，取样时还必须考虑材料 性能的方向性。 图 3-3 标准夏比 U 型缺口试样的尺寸及加工要求
55±0.60 0.1 A L0.1 A 10±0.10 6 27.5±0.30 0.1A U+S R0.25±0.025 16 B 10:1 1.6 ⊥]0,2B 45±2 22.5+1T22.5+1 图3-4标准夏比V型缺口试样的尺寸及加工要求 五. 实验设备及器材 1、标准摆锤式冲击试验机。试验机应满足所选用的试验标准的要求，并定期由 国家计量部门检定，取得合格证书，方可用于试验。 2、试样保温容器若干。 3、酒精和干冰、液氮等，作冷却介质用：水和电炉，作加热试样用。 4、温度计0~20℃及±50℃-80℃各一支。测温温度计每一分格值不得大于 1℃，精确度应达0.5℃。 5、手钳、游标卡尺等。 六、 测试程序 1、测量试样尺寸。如有条件可用投影仪检查试样缺口处的形状尺寸及加工 精度是否符号标准要求，剔除不合试验要求的试样，然后对试样编号，并记下各 试样缺口横截面处的尺寸。 2、确定试验温度。通常在低温下每间隔20℃测定试样的冲击吸收功。 98
98 图 3-4 标准夏比 V 型缺口试样的尺寸及加工要求 五. 实验设备及器材 1、标准摆锤式冲击试验机。试验机应满足所选用的试验标准的要求，并定期由 国家计量部门检定，取得合格证书，方可用于试验。 2、试样保温容器若干。 3、酒精和干冰、液氮等，作冷却介质用；水和电炉，作加热试样用。 4、 温度计 0～20℃ 及±50℃～-80℃各一支。测温温度计每一分格值不得大于 1℃，精确度应达 0.5℃。 5、 手钳、游标卡尺等。 六、 测试程序 1、 测量试样尺寸。如有条件可用投影仪检查试样缺口处的形状尺寸及加工 精度是否符号标准要求，剔除不合试验要求的试样，然后对试样编号，并记下各 试样缺口横截面处的尺寸。 2、 确定试验温度。通常在低温下每间隔 20 ℃ 测定试样的冲击吸收功
3、将试样放入保温容器中，注入酒精作冷却介质，使液面高于试样25mm 以上。慢慢加入干冰一边搅拌一边测温，待达到选定的试验温度并稳定后开始计 算保持时间，保退时间一般不少15分钟。取样的手钳应和试样一起冷却。进行 高于室温的试验时，则用水作介质，用电炉加热。为保证实际试验温度与规定的 试验温度的偏差不超过士2℃，冷却介质的温度应低于规定的试验温度，若室 温为20±5℃可采用下列过冷度：（见表3-1) 表3-1 温度范围，℃ 过冷温度，℃ 0 0 0-60 1~2 -60--100 23 -100~-192 34 4、检查冲击试验机，使摆锤刀口处于两支承钳口的中心。校正钳口间的距 离为40。mm。并检查其空打时指针是否从上止点（最大刻度）带至下止点（零 刻度)证明确无能量损耗，方能进行正式试验，然后举起摆锤，将摆锤固定于规 定的高度，同时把指针拨到最大刻度处，使试验机控制杆处于冲击试验的预备位 置。 5、用手钳取出试样，尽快稳定地放于支座上，缺口背向摆锤刀口，并保证 缺口平分面和摆锤刀口心中线重合。其偏差不应超过0.2mm。为满足这一要求， 放试样时可用标准样板使缺口对准钳口中，分别处于钳口的中心，或用试样端面 作为基准，在支座上放置定位块，使试样的缺口平分面处于钳口的中心，但试祥 从冷却筒取出直到被冲断，时间间隔应不超出5秒。 6、拉动控制杆，使摆锤自由落下，冲断试样，从刻度盘上读出冲击吸收功 (J),要求精确到1(J)。 7、拉动控制杆，使摆锤停止摆动。捡起冲断的试样，记下试样号及冲击吸 99
99 3、 将试样放入保温容器中，注入酒精作冷却介质，使液面高于试样 25mm 以上。慢慢加入干冰一边搅拌一边测温，待达到选定的试验温度并稳定后开始计 算保持时间，保退时间一般不少 15 分钟。取样的手钳应和试样一起冷却。进行 高于室温的试验时，则用水作介质，用电炉加热。为保证实际试验温度与规定的 试验温度的偏差不超过士 2℃ ，冷却介质的温度应低于规定的试验温度，若室 温为20 5 ℃可采用下列过冷度：（见表 3-1) 表 3-1 温度范围，OC 过冷温度，OC 0 0～-60 -60～-100 -100～-192 0 1～2 2～3 3～4 4、 检查冲击试验机，使摆锤刀口处于两支承钳口的中心。校正钳口间的距 离为 mm 0.5 40 0 。并检查其空打时指针是否从上止点（最大刻度）带至下止点（零 刻度）证明确无能量损耗，方能进行正式试验，然后举起摆锤，将摆锤固定于规 定的高度，同时把指针拨到最大刻度处，使试验机控制杆处于冲击试验的预备位 置。 5、 用手钳取出试样，尽快稳定地放于支座上，缺口背向摆锤刀口，并保证 缺口平分面和摆锤刀口心中线重合。其偏差不应超过 0.2mm。为满足这一要求， 放试样时可用标准样板使缺口对准钳口中，分别处于钳口的中心，或用试样端面 作为基准，在支座上放置定位块，使试样的缺口平分面处于钳口的中心，但试祥 从冷却筒取出直到被冲断，时间间隔应不超出 5 秒。 6、 拉动控制杆，使摆锤自由落下，冲断试样，从刻度盘上读出冲击吸收功 ( J )，要求精确到 1( J )。 7、 拉动控制杆，使摆锤停止摆动。捡起冲断的试样，记下试样号及冲击吸
收功Av。同时将冲断的试样浸于无水酒精中，以防止断口锈蚀，待冲击试验结 束后，用电吹风吹干试样，并评定结晶状断口面积百分数，记入试验记录中。 8、列表整理试验结果并处理数据，写出实验报告。 七、 实验报告要求 1、试验目的及要求。 2、试验原理及方法概述。 3、试验材料及试样。 4、实验结果及处理。 5、分析讨论及心得。 八、 实验注意事项 1、操作摆锤冲击试验机时需严格按照安全操作规程进行，在摆锺摆动平面 内严禁站人或堆物。 2、在试样未放妥时，绝不能随便抬高控制杆，以免摆锤落下伤人。 3、摆锤未刹停前。绝不能在试验机附近跑动或捡被冲断的试样。 100
100 收功 Akv。同时将冲断的试样浸于无水酒精中，以防止断口锈蚀，待冲击试验结 束后，用电吹风吹干试样，并评定结晶状断口面积百分数，记入试验记录中。 8、 列表整理试验结果并处理数据，写出实验报告。 七、 实验报告要求 1、 试验目的及要求。 2、 试验原理及方法概述。 3、 试验材料及试样。 4、 实验结果及处理。 5、 分析讨论及心得。 八、 实验注意事项 1、 操作摆锤冲击试验机时需严格按照安全操作规程进行，在摆锺摆动平面 内严禁站人或堆物。 2、 在试样未放妥时，绝不能随便抬高控制杆，以免摆锤落下伤人。 3、 摆锤未刹停前。绝不能在试验机附近跑动或捡被冲断的试样