材料冲击实验

5、描述材料和结构冲击的实验技术,包括测试手段和试验方法，并分别简单介绍其用途、优缺点。材料冲击实验是一种动态力学实验，它是将具有一定形状和尺寸的U型或V型缺口的试样，在冲击载荷作用下折断，以测定其冲击吸收功KA和冲击韧性值的一种实验方法。冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。冲击功能够直观反应材料的冲击韧性。1材料冲击实验原理冲击实验通常在摆锤式冲击试验机上进行，其原理如图1a所示。实验时将试样放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间（图1b）。然后将具有一定重量的摆锤举至一定的高度1H，使其获得一定位能1mgH。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为2mgH，则摆锤冲断试样失去的势能为21mg-HmgH。如忽略空气阻力等各种能量损失，则冲断试样所消耗的能量（即试样的冲击吸收功）为：21mg-HmgHAKKA的具体数值可直接从冲击试验机的表盘上读出，其单位力J。将冲击吸收功KA除以试样缺口底部的横截面积NS(cm2)，即可得到试样的冲击韧性值（J/cm2）：NKSA/对于CharpyU型缺口和V型缺口试样的冲击吸收功分别用KUA和KVA表示，它们的冲击韧性值分别用KU和KU表示。作为材料的冲击抗力指标，不仅与材料的性质有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对值产生很大的影响，因此只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标。只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算。2实验设备2.1冲击试验对试验机砧座和支座的要求2.1.1支座的两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。支座应使试样的轴线与摆锤轴线的平行度在3/1000以内。2.1.2砧座两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。支座两个支撑面所在平面和砧座两个支撑面所在平面之间的夹角应为90±0.1°。2.1.3砧座曲率半径1mm。曲率圆弧应与支撑面平面相切。2.1.4砧座之间跨距为40+0.2。2.1.5试验前，应该检查砧座上是否沾有铁屑，如果沾有，应该及时清理。当试验机的砧座上粘有铁屑时会造成两种结果：冲击试样不能紧靠砧座；冲击试样不能准确地对中。这两种结果都会使得冲击吸收功偏大。图1冲击实验的原理图2.1.6冲击试验机的砧座要经常检查，若磨损的比较严重则会对冲击吸收功产生较严重的影响，使得冲击吸收功偏低。2.2冲击试验机摆锤的要求2.2.1摆锤势能与标称能量最大允许误差为±1%。2.2.2摆杆必须要有足够的刚度，打击时不能产生弹性形变。2.2.3摆轴必须有足够的刚度，摆轴是摆锤的旋转支点，如果摆轴的刚度不足，摆轴在产生弹性形变会吸收功。2.2.4摆锤自由下垂时，指针指向最大能量，当一次空打后，指针回零。2.3冲击试验机冲击刀的要求2.3.1刀刃半径一般为2mm与8mm。2.3.2试验前应该检查刀刃，检查是否松动，是否被打平。如图2所示刀刃刀具导脚远大于R0.2，属于不合格刀刃。2.3.3冲击刀刃不能沾有铁屑。当摆锤刀刃上粘有铁屑时，在冲击时会使摆锤不能准确地打在试样的正中位置，从而使得冲击吸收功偏高。3试样3.1冲击试样的表面粗糙度和尺寸精度对冲击功的影响3.1.1冲击试样的表面粗糙度要严格按照标准的要求：试样缺口底部应光滑，试样四个纵向面的表面粗糙度Ra1.6µm，两端面Ra25µm。因为冲击试样的表面粗糙度对冲击功有一定的影响，但是在通常情况下因为表面粗糙度而产生的影响是可以忽略不计的。而试样缺口处的表面粗糙度没有达到要求会造成冲击功偏低，不能忽略不计。所以在制备试样的过程中必须要保证试样缺口处的表面粗糙度。图2不合格的刀具3.1.2冲击试样尺寸精度对冲击功德影响取决于尺寸偏差有多大，如果说只是几道的偏差这对冲击吸收功不会产生大的影响，但是如果偏差过大，而试样缺口处的尺寸是精确的，这样就使得缺口下面的高度偏大或是偏小，这样就会严重影响冲击吸收功。而缺口处的尺寸精度对冲击吸收功有着非常严重的影响。若缺口深度偏大，则会造成冲击吸收功偏低；若缺口深度偏小，则会造成冲击吸收功偏高。但是，缺口尺寸无论是偏大还是偏小对剪切面积的评定都不会产生影响。3.2冲击试验当中，U型和V型缺口的适用情况。在一般的老标准（80年代）当中，大多要求的是U型缺口；新标准，大多要求的是V型缺口。U型缺口试样的缺口较浅，缺口底部的弧度半径较大，较易制作，这种试样应力集中作用不太强，应力分布状态对试验时试样塑性变形的限制也不太大，所以冲击功和冲击值都较高，脆性转变温度则较低，范围也较宽。如表1所示夏比U型缺口试样尺寸。上世纪70年代末，为适用《钢质海船建造规范》，又颁布了GB2106-1980金属夏比（V形缺口）冲击试验方法。由于两种试样的缺口深度一样，而缺口底部半径不同，U型为1mm，V型为0.25mm，因此，V型应力相对集中，当试样受到冲击时，就显得更敏感。如表2所示夏比V型缺口试样尺寸。其实，冲击试验有多种试验方法，亦有不同的尺寸、不同缺口和不同形状的试样。它们应力集中作用及应力分布状态各不相同，对试验结果的影响有很大的差异，因此不能彼此比较或换算。具体选择何种缺口型式的试样，应由构件（产品）规范和材料标准确定。至于为何新标准多采用V型试样，除上述原因外，试样加工技术的提高亦是其中之一，现在加工V型缺口已有专用拉床，加工精度能达到规定要求。4试验4.1试样温度及温度测量4.1.1对于室温冲击试验，试验在室温10℃～35℃下进行.如要求严格,在控制室温20℃±2℃下进行(国际标准规定23±5)℃℃4.1.2对于高温冲击试验，试样加热至规定的试验温度,温度偏差允许±2℃。由于试样从高温炉移出,在室温环境和与支座接触,温度会降低,按本方法结合打击时间,需附加过热度(也应考虑过热对材料性能的影响)4.1.3对于低温冲击试验，试样冷却至规定温度,允许温度偏±2℃。由于试样从低温移出至室温环境和与支座接触,温度会升高,按本方法结合打击时间，需附加过冷度。4.1.4试样加热或冷却所选用的热源,冷源和介质应安全,无毒,不腐蚀试样。4.2试样定位4.2.1试样缺口对称面偏离两支座对称面应不大于0.5mm.为能达到此要求,一般采用适合试样缺口形状的定位规.偏离越大,冲击吸收功增加越明显.。4.2.2如采用端头定位,定位杆或定位块,在定位后应退离定位点≥13mm,以避免试样碰击到定位杆(块).4.2.3如在高温试验中采用端头定位,还应考虑试样热膨胀影响,按下式计算修正量[6]（包括然膨胀，总偏差在0.5mm范围内）：)(5.270ttL式中:L半长度膨账量,线账系数,t试验温度，0t室温。4.3试验要求4.3.1试验应在经校准合格的冲击试验机上进行。4.3.2如为模拟指示冲击机,试验前,使摆锤静止处于铅垂状态,检查被动指针是否准确指示最大值。4.3.3试验前,空击试验,检查能量指示是否回零。如果不能回零，则能知道摆锤的仰角不在偏差范围之内或者是冲击试验机度盘相对试验机的位置发生偏离。这样能及时对试验机进行调整，保证试验的顺利进行。4.3.4试验前,检查支座是否紧固,测量试样跨距是否在mm以内(国际标准规定)，跨距增加冲击吸收功降低。4.3.5、试验前,检查并清除前次试验留在支座半径区并沾附着的金属屑.粘屑会附加冲吸收击功。4.3.6试样必须对中。如果试样不对中，这样就增大了试样对摆锤的冲击阻力，从而就会致使冲击吸收功偏高。如图3所示冲击瞬间试样轨迹。图3冲击瞬间式样轨迹图4.3.6试样从高温或低温环境移出,如为液体介质2s以内打击试样,如为气体介质1s以内打击试样。4.3.7如不能满足这样的时间要求,必须在3s～5s打击试样,此时必须加过热或过冷度。4.3.8转移试样与试样接触的工具的温度应与介质温度相同.一般将转移工具置于试样加热或冷却的环境中。4.3.9试样移出后5s内未被试验,应重新保温后试验。5实验步骤（1)用卡尺测量缺口试样的宽度、缺口处的剩余厚度。测量三次，取其平均值。（2)了解冲击试验机的构造、工作原理、操作方法及安全注意事项。（3)根据所测试样冲击韧性值的大小，选择度盘刻度(应使试样的冲击能量指示值在度盘的10%~90%范围内)，并装好相应的摆锤。（4）不装试样，升起重摆空打一次，以校正试验机的零点位置。（5)按“取摆”按钮，抬起并锁住摆锤；同时将指针拨至度盘的最大刻度处。（6）检查支座间距离，对金属材料间距为40mm；对高分子材料为70mm。（7)冷却试样；根据实验温度要求在低温恒温箱内放入试样，进行保温。调节温度时，要注意选好过冷温度，以补偿试样取出到冲断时温度的回升。本实验的实验温度可选择为室温、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-75℃。每种温度下的冲击试样不少于3个。对材料的常温冲击实验，此步骤可省去，直接由步骤“6”转到步骤“8”。（8)将试样按规定放置在两支座上，试样支撑面紧贴在支撑块上，使冲击刀刃对准缺口试样的中心。应当注意，低温冲击实验中，试样取出到冲断的总时间不得超过5s。若超过5s，则应将试样放回低温恒温箱中重新冷却。这项实验操作，既要迅速，又要沉着，特别要注意安全，防止忙乱中造成事故。所有参加实验人员应有明确分工(如负责试样冷却、做记录、操作冲击试验机等)。进行实验时，不得在摆锤运动平面范围内站立、走动，一定要集中注意力，保持良好秩序。（9)按下“冲击”按钮，摆锤下落，冲断试样。（10)冲断试样后，按“制动”按钮，使摆锤制动。（11）在度盘上读取并记录试样的冲击吸收功AKU(或AKV)，然后将指针拔回。（12)回收试样，用放大镜或体视显微镜观察断口形貌，并测量断口中纤维区或结晶区的断口百分率。6试验结果处理（1）试验结果数据,至少保留2位有效数字。根据冲击试验机的示值辨力,数据末位保留到分辨力为单位。对于数字式,分辨力为末位跳动1个字码;模拟式,为最小分度值的一半。（2）数据不做修约。建议平均值数据可以多保留一位。（3）由于冲击试验机打击能量不足,试样未折断时,在试验数据前加大于符号“＞”。其他情况(指打击能量足够而未被折断情况),注明“未折断”。（4）不同缺口形状或不同尺寸的试样,试验结果不能直接换算(除非已通过试验准确获知换算关系)。（5）试验后断口显现肉眼可见裂纹(例如淬火裂纹)或缺陷(例如夹渣,缩孔,异金属,分层,气孔等),应注明。（6）试验时误操作,数据无效；试验时出现卡锤现象,数据无效,(数据一般偏大。7冲击试验断口评定方法1）对于金属夏比冲击断口形貌的测定,目前的国家标准GB/T12778-1991《金属夏比冲击断口测定方法》规定了三种方法:(1)比较法,(2)直接测量法,(3)放大测量法.2）结合标准规定的方法,通常采用的韧性断面率(纤维断面率)评定方法有5种方法:（1）比较法:采用将断口与如国际标准或美国ASTME23标准给定的标准实物断口形貌图比较确定.（2）测量法:测量断口晶状断裂部分面积的长度和宽度(作近似矩形面积)或上、下底高(作近似梯形面积),计算其面积。（3）放大测量法：A.把试样断口拍片放大，利用求积仪测量。B.利用低倍显微镜等光学仪器（图象分析技术）测量。（4）用带标尺的方孔卡片法、网格卡片法。3）夏比冲击断口形貌的评定,其准确度并不很高.按照英国标准BS131-5:1965《结晶度的测定》提示,前述的“比较法”法,对于有经验的操作人员能达到约10%的准确度,而其他几种方法准确性相对高些.但比较法简单方便。8冲击试验的优缺点8.1冲击试验的优点8.1.1冲击功对材料的宏观缺陷、显微镜组织的差异等非常敏感，长期以来有效地用来鉴定钢材质量和判断冶金、加工和热处理规程的适宜性，藉以控制盒稳定产品质量。8.1.2冲击功对温度十分敏感，通常从低温到高温进行冲击系列试验，测定韧脆转变趋势和转变温度。为防止金属构件的冷脆、蓝脆及重结晶脆性，并能大致估算出构件容许工作温服，可提供一种经验判别依据。8.1.3由于冲击试验测定出的冲击功对缺口非常敏感，因此用来评定金属对大能量一次荷载的缺口敏感性。8.1.4多年来常冲击试验测定钢材时效前后的冲击功，确定钢材的时