材料沖擊實(shí)驗(yàn)

1、5、描述材料和結(jié)構(gòu)沖擊的實(shí)驗(yàn)技術(shù),包括測(cè)試手段和試驗(yàn)方法，并分別簡(jiǎn)單介紹其用途、優(yōu)缺點(diǎn)。材料沖擊實(shí)驗(yàn)是一種動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，它是將具有一定形狀和尺寸的U型或V型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下折斷，以測(cè)定其沖擊吸收功AK和沖擊韌性值的一種實(shí)驗(yàn)方法。沖擊試驗(yàn)是材料性能不可缺少的檢驗(yàn)項(xiàng)目。沖擊功能夠直觀反應(yīng)材料的沖擊韌性。1 材料沖擊實(shí)驗(yàn)原理沖擊實(shí)驗(yàn)通常在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其原理如圖1a所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)將試樣放在試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊相背方向，并使缺口位于支座中間（圖1b）。然后將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得一定位能mgH1。釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為mgH2,則擺錘沖斷試

2、樣失去的勢(shì)能為mgHmgH2。如忽略空氣阻力等各種能量損失，則沖斷試樣所消耗的能量（即試樣的沖擊吸收功）為：Ak的具體數(shù)值可直接從沖擊試驗(yàn)機(jī)的表盤(pán)上讀出，其單位力J。將沖擊吸收功4除以試樣缺口底部的橫截面積SN（cm2），即可得到試樣的沖擊韌性值（J/cm2）：對(duì)于CharpyU型缺口和V型缺口試樣的沖擊吸收功分別用AKU和Akv表示，它們的沖擊韌性值分別用KU和KU表示。作為材料的沖擊抗力指標(biāo)，不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，試樣的形狀、尺寸、缺口形式等都會(huì)對(duì)值產(chǎn)生很大的影響，因此只是材料抗沖擊斷裂的一個(gè)參考性指標(biāo)。只能在規(guī)定條件下進(jìn)行相對(duì)比較，而不能代換到具體零件上進(jìn)行定量計(jì)算。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.1

3、沖擊試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)砧座和支座的要求2.1.1 支座的兩個(gè)支撐面應(yīng)平行，且相差不應(yīng)超過(guò)0.05mm。支座應(yīng)使試樣的軸線與擺錘軸線的平行度在3/1000以?xún)?nèi)。2.1.2 砧座兩個(gè)支撐面應(yīng)平行，且相差不應(yīng)超過(guò)0.05mm。支座兩個(gè)支撐面所在平面和砧座兩個(gè)支撐面所在平面之間的夾角應(yīng)為90±0.1°。2.1.3 砧座曲率半徑1mm曲率圓弧應(yīng)與支撐面平面相切。2.1.4 砧座之間跨距為40+0.2。2.1.5 試驗(yàn)前，應(yīng)該檢查砧座上是否沾有鐵屑，如果沾有，應(yīng)該及時(shí)清理。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的砧座上粘有鐵屑時(shí)會(huì)造成兩種結(jié)果：沖擊試樣不能緊靠砧座；沖擊試樣不能準(zhǔn)確地對(duì)中。這兩種結(jié)果都會(huì)使得沖擊吸收功偏大

4、。圖1沖擊實(shí)驗(yàn)的原理圖2.1.6 沖擊試驗(yàn)機(jī)的砧座要經(jīng)常檢查，若磨損的比較嚴(yán)重則會(huì)對(duì)沖擊吸收功產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，使得沖擊吸收功偏低。2.2 沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘的要求2.2.1 擺錘勢(shì)能與標(biāo)稱(chēng)能量最大允許誤差為±1%。2.2.2 擺桿必須要有足夠的剛度，打擊時(shí)不能產(chǎn)生彈性形變。2.2.3 擺軸必須有足夠的剛度，擺軸是擺錘的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，如果擺軸的剛度不足，擺軸在產(chǎn)生彈性形變會(huì)吸收功。2.2.4 擺錘自由下垂時(shí)，指針指向最大能量，當(dāng)一次空打后，指針回零。2.3 沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊刀的要求2.3.1 刀刃半徑一般為2mmff8mm2.3.2 試驗(yàn)前應(yīng)該檢查刀刃，檢查是否松動(dòng)，是否被打平。如圖2所示刀刃

5、刀具導(dǎo)腳遠(yuǎn)大于R0.2,屬于不合格刀刃。2.3.3 沖擊刀刃不能沾有鐵屑。當(dāng)擺錘刀刃上粘有鐵屑時(shí)，在沖擊時(shí)會(huì)使擺錘不能準(zhǔn)確地打在試樣的正中位置，從而使得沖擊吸收功偏高。3 試樣3.1 沖擊試樣的表面粗糙度和尺寸精度對(duì)沖擊功的影響3.1.1 沖擊試樣的表面粗糙度要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的要求：試樣缺口底部應(yīng)光滑，試樣四個(gè)縱向面的表面粗糙度Ra1.6imi兩端面Ra25m因?yàn)闆_擊試樣的表面粗糙度對(duì)沖擊功有一定的影響，但是在通常情況下因?yàn)楸砻娲植诙榷a(chǎn)生的影響是可以忽略不計(jì)的。而試樣缺口處的表面粗糙度沒(méi)有達(dá)到要求會(huì)造成沖擊功偏低，不能忽略不計(jì)。所以在制備試樣的過(guò)程中必須要保證試樣缺口處的表面粗糙度。圖2不合格

6、的刀具3.1.2 沖擊試樣尺寸精度對(duì)沖擊功德影響取決于尺寸偏差有多大，如果說(shuō)只是幾道的偏差這對(duì)沖擊吸收功不會(huì)產(chǎn)生大的影響，但是如果偏差過(guò)大，而試樣缺口處的尺寸是精確的，這樣就使得缺口下面的高度偏大或是偏小，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響沖擊吸收功。而缺口處的尺寸精度對(duì)沖擊吸收功有著非常嚴(yán)重的影響。若缺口深度偏大，則會(huì)造成沖擊吸收功偏低；若缺口深度偏小，則會(huì)造成沖擊吸收功偏高。但是，缺口尺寸無(wú)論是偏大還是偏小對(duì)剪切面積的評(píng)定都不會(huì)產(chǎn)生影響。3.2 沖擊試驗(yàn)當(dāng)中，U型和V型缺口的適用情況。在一般的老標(biāo)準(zhǔn)（80年代）當(dāng)中，大多要求的是U型缺口；新標(biāo)準(zhǔn)，大多要求的是V型缺口。U型缺口試樣的缺口較淺，缺口底部的弧度半

7、徑較大，較易制作，這種試樣應(yīng)力集中作用不太強(qiáng)，應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)時(shí)試樣塑性變形的限制也不太大，所以沖擊功和沖擊值都較高，脆性轉(zhuǎn)變溫度則較低，范圍也較寬。如表1所示更比U型缺口試樣尺寸。上世紀(jì)70年代末，為適用鋼質(zhì)海船建造規(guī)范，又頒布了GB2106-198階屬夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)方法。由于兩種試樣的缺口深度一樣，而缺口底部半徑不同，U型為1mm，V型為0.25mm因此，V型應(yīng)力相對(duì)集中，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊時(shí)，就顯得更敏感。如表2所示夏比V型缺口試樣尺寸。其實(shí)，沖擊試驗(yàn)有多種試驗(yàn)方法，亦有不同的尺寸、不同缺口和不同形狀的試樣。它們應(yīng)力集中作用及應(yīng)力分布狀態(tài)各不相同，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響有很大的差異，因

8、此不能彼此比較或換算。具體選擇何種缺口型式的試樣，應(yīng)由構(gòu)件（產(chǎn)品）規(guī)范和材料標(biāo)準(zhǔn)確定。至于為何新標(biāo)準(zhǔn)多采用V型試樣，除上述原因外，試樣加工技術(shù)的提高亦是其中之一，現(xiàn)在加工V型缺口已有專(zhuān)用拉床，加工精度能達(dá)到規(guī)定要求。4 試驗(yàn)4.1 試樣溫度及溫度測(cè)量4.1.1 對(duì)于室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)在室溫10c35C下進(jìn)行.如要求嚴(yán)格,在控制室溫20±2下進(jìn)行（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定23±5）4.1.2 對(duì)于高溫沖擊試驗(yàn)，試樣加熱至規(guī)定的試驗(yàn)溫度,溫度偏差允許±2。由于試樣從高溫爐移出,在室溫環(huán)境和與支座接觸,溫度會(huì)降低,按本方法結(jié)合打擊時(shí)間,需附加過(guò)熱度（也應(yīng)考慮過(guò)熱對(duì)材料性能的影響）4

9、.1.3 對(duì)于低溫沖擊試驗(yàn)，試樣冷卻至規(guī)定溫度,允許溫度偏±2。由于試樣從低溫移出至室溫環(huán)境和與支座接觸,溫度會(huì)升高,按本方法結(jié)合打擊時(shí)間，需附加過(guò)冷度。4.1.4 試樣加熱或冷卻所選用的熱源,冷源和介質(zhì)應(yīng)安全,無(wú)毒,不腐蝕試樣。4.2 試樣定位4.2.1 試樣缺口對(duì)稱(chēng)面偏離兩支座對(duì)稱(chēng)面應(yīng)不大于0.5mm.為能達(dá)到此要求,一般采用適合試樣缺口形狀的定位規(guī).偏離越大,沖擊吸收功增加越明顯.。4.2.2 如采用端頭定位，定位桿或定位塊，在定位后應(yīng)退離定位點(diǎn)13mm,以避免試樣碰擊到定位桿（塊）.4.2.3 如在高溫試驗(yàn)中采用端頭定位,還應(yīng)考慮試樣熱膨脹影響,按下式計(jì)算修正量6（包括然膨脹

10、，總偏差在0.5mm范圍內(nèi)）：式中:L半長(zhǎng)度膨賬量,線賬系數(shù),t試驗(yàn)溫度，t0室溫。4.3 試驗(yàn)要求4.3.1 試驗(yàn)應(yīng)在經(jīng)校準(zhǔn)合格的沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。4.3.2 如為模擬指示沖擊機(jī),試驗(yàn)前,使擺錘靜止處于鉛垂?fàn)顟B(tài),檢查被動(dòng)指針是否準(zhǔn)確指示最大值。4.3.3 試驗(yàn)前,空擊試驗(yàn),檢查能量指示是否回零。如果不能回零，則能知道擺錘的仰角不在偏差范圍之內(nèi)或者是沖擊試驗(yàn)機(jī)度盤(pán)相對(duì)試驗(yàn)機(jī)的位置發(fā)生偏離。這樣能及時(shí)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。4.3.4 試驗(yàn)前，檢查支座是否緊固，測(cè)量試樣跨距是否在mm以?xún)?nèi)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定），跨距增加沖擊吸收功降低。4.3.6 試樣必須對(duì)中。如果試樣不對(duì)中，這樣就增大了

11、試樣對(duì)擺錘的沖擊阻力，從而就會(huì)致使沖擊吸收功偏高。如圖3所示沖擊瞬間試樣軌跡。圖3沖擊瞬間式樣軌跡圖4.3.7 試樣從高溫或低溫環(huán)境移出,如為液體介質(zhì)2s以?xún)?nèi)打擊試樣,如為氣體介質(zhì)1s以?xún)?nèi)打擊試樣。4.3.7 如不能滿(mǎn)足這樣的時(shí)間要求，必須在3s5s打擊試樣，此時(shí)必須加過(guò)熱或過(guò)冷度。4.3.8 轉(zhuǎn)移試樣與試樣接觸的工具的溫度應(yīng)與介質(zhì)溫度相同.一般將轉(zhuǎn)移工具置于試樣加熱或冷卻的環(huán)境中。4.3.9 試樣移出后5s內(nèi)未被試驗(yàn),應(yīng)重新保溫后試驗(yàn)。5 實(shí)驗(yàn)步驟（ 1） 用卡尺測(cè)量缺口試樣的寬度、缺口處的剩余厚度。測(cè)量三次，取其平均值。（ 2） 了解沖擊試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造、工作原理、操作方法及安全注意事項(xiàng)。（

12、3） 根據(jù)所測(cè)試樣沖擊韌性值的大小，選擇度盤(pán)刻度（應(yīng)使試樣的沖擊能量指示值在度盤(pán)的10%90%范圍內(nèi)），并裝好相應(yīng)的擺錘。（ 4） 裝試樣，升起重?cái)[空打一次，以校正試驗(yàn)機(jī)的零點(diǎn)位置。（ 5） 按“取擺”按鈕，抬起并鎖住擺錘；同時(shí)將指針撥至度盤(pán)的最大刻度處。（6）檢查支座間距離，對(duì)金屬材料間距為40mm對(duì)高分子材料為70mm（ 7） 冷卻試樣；根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度要求在低溫恒溫箱內(nèi)放入試樣，進(jìn)行保溫。調(diào)節(jié)溫度時(shí)，要注意選好過(guò)冷溫度，以補(bǔ)償試樣取出到?jīng)_斷時(shí)溫度的回升。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度可選擇為室溫、0、-20、-40、-60、-75。每種溫度下的沖擊試樣不少于3個(gè)。對(duì)材料的常溫沖擊實(shí)驗(yàn)，此步驟可省去，直接由

13、步驟“6”轉(zhuǎn)到步驟“8”。（ 8） 將試樣按規(guī)定放置在兩支座上，試樣支撐面緊貼在支撐塊上，使沖擊刀刃對(duì)準(zhǔn)缺口試樣的中心。應(yīng)當(dāng)注意，低溫沖擊實(shí)驗(yàn)中，試樣取出到?jīng)_斷的總時(shí)間不得超過(guò)5s。若超過(guò)5s，則應(yīng)將試樣放回低溫恒溫箱中重新冷卻。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，既要迅速，又要沉著，特別要注意安全，防止忙亂中造成事故。所有參加實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)有明確分工（如負(fù)責(zé)試樣冷卻、做記錄、操作沖擊試驗(yàn)機(jī)等）。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，不得在擺錘運(yùn)動(dòng)平面范圍內(nèi)站立、走動(dòng)，一定要集中注意力，保持良好秩序。（ 9） 按下“沖擊”按鈕，擺錘下落，沖斷試樣。（ 10） 沖斷試樣后，按“制動(dòng)”按鈕，使擺錘制動(dòng)。（11）在度盤(pán)上讀取并記錄試樣的沖擊吸收功AK

14、U或AKV）,然后將指針拔回（ 12） 回收試樣，用放大鏡或體視顯微鏡觀察斷口形貌，并測(cè)量斷口中纖維區(qū)或結(jié)晶區(qū)的斷口百分率。6 試驗(yàn)結(jié)果處理（ 1） 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),至少保留2位有效數(shù)字。根據(jù)沖擊試驗(yàn)機(jī)的示值辨力,數(shù)據(jù)末位保留到分辨力為單位。對(duì)于數(shù)字式,分辨力為末位跳動(dòng)1個(gè)字碼;模擬式,為最小分度值的一半。（ 2） 數(shù)據(jù)不做修約。建議平均值數(shù)據(jù)可以多保留一位。（3）由于沖擊試驗(yàn)機(jī)打擊能量不足，試樣未折斷時(shí)，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)前加大于符號(hào)“>”。其他情況（指打擊能量足夠而未被折斷情況）,注明“未折斷”。（4）不同缺口形狀或不同尺寸的試樣,試驗(yàn)結(jié)果不能直接換算（除非已通過(guò)試驗(yàn)準(zhǔn)確獲知換算關(guān)系）。（5）

15、試驗(yàn)后斷口顯現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂紋（例如淬火裂紋）或缺陷（例如夾渣,縮孔,異金屬,分層,氣孔等）,應(yīng)注明。（6）試驗(yàn)時(shí)誤操作,數(shù)據(jù)無(wú)效；試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)卡錘現(xiàn)象,數(shù)據(jù)無(wú)效,（數(shù)據(jù)一般偏大。7沖擊試驗(yàn)斷口評(píng)定方法1）對(duì)于金屬更比沖擊斷口形貌的測(cè)定，目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12778-1991金屬夏比沖擊斷口測(cè)定方法規(guī)定了三種方法:（1）比較法,（2）直接測(cè)量法,（3）放大測(cè)量法.2） 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法,通常采用的韌性斷面率（纖維斷面率）評(píng)定方法有5種方法:（ 1） 法：采用將斷口與如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或美國(guó)ASTME2拆準(zhǔn)給定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物斷口形貌圖比較確定.（ 2） 測(cè)量法:測(cè)量斷口晶狀斷裂部分面積的長(zhǎng)度和寬度（作近似矩

16、形面積）或上、下底高（作近似梯形面積）,計(jì)算其面積。（ 3） 放大測(cè)量法：A. 把試樣斷口拍片放大，利用求積儀測(cè)量。B. 利用低倍顯微鏡等光學(xué)儀器（圖象分析技術(shù)）測(cè)量。（4）用帶標(biāo)尺的方孔卡片法、網(wǎng)格卡片法。3）夏比沖擊斷口形貌的評(píng)定,其準(zhǔn)確度并不很高.按照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS131-5:1965結(jié)晶度的測(cè)定提示,前述的“比較法”法,對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的操作人員能達(dá)到約10%的準(zhǔn)確度,而其他幾種方法準(zhǔn)確性相對(duì)高些.但比較法簡(jiǎn)單方便。8沖擊試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)8.1 沖擊試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)8.1.1 沖擊功對(duì)材料的宏觀缺陷、顯微鏡組織的差異等非常敏感，長(zhǎng)期以來(lái)有效地用來(lái)鑒定鋼材質(zhì)量和判斷冶金、加工和熱處理規(guī)程的適宜性，藉以控制盒穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。8.1.2 沖擊功對(duì)溫度十分敏感，通常從低溫到高溫進(jìn)行沖擊系列試驗(yàn)，測(cè)定韌脆轉(zhuǎn)變趨勢(shì)和轉(zhuǎn)變溫度。為防止金屬構(gòu)件的冷脆、藍(lán)脆及重結(jié)晶脆性，并能大致估算出構(gòu)件容許工作溫服，可提供一種經(jīng)驗(yàn)判別依據(jù)。8.1.3 由于沖擊試驗(yàn)測(cè)定出的沖擊功對(duì)