金属系列冲击试验_.doc

材料力学性能-金属系列冲击试验金属系列冲击试验一、试验目的1、了解摆锤冲击试验的基本方法2、通过系列冲击试验测定低碳钢、工业纯铁和T8钢在不同温度下的冲击吸收功，测定低碳钢韧脆转化温度，观察比较金属韧脆转变特性。二、实验原理韧性是材料在弹性变形、塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性好的材料在服役条件下不至于突然发生脆性断裂，从而使安全得到保证冲击吸收功的测量原理为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，试样吸收的功称为冲击功（Ak）。用规定高度的摆锤对一系列处于不同温度的简支梁状态的缺口试样进行一次性打击，测量各试样折断时的冲击吸收功。改变试验温度，进行一系列冲击试验以确定材料从人性过渡到脆性的温度范围，称为“系列冲击试验”。韧脆转变温度就是Ak-T曲线上Ak值显著降低的温度。曲线冲击功明显变化的中间部分称为转化区，脆性区和塑性区各占50%时的温度称为韧脆转变温度（DBTT）。当断口上结晶或解理状脆性区达到50%时，相应的温度称为断口形貌转化温度（FATT）。脆性断裂：材料在低温断裂时会呈现脆性断裂，脆性断裂是一种快速的断裂，断裂过程吸收能量很低，断裂前及伴随着断裂过程都缺乏明显的塑性变形。韧脆转变：材料在一个有限的温度范围内，受到冲击载荷作用发生断裂时吸收的能量会发生很大的变化。这种现象称为材料的韧脆转变。解理断裂：当外加正应力达到一定数值后，快速沿特定晶面产生的穿晶断裂现象称为解理；解理断口的基本微观特征是台阶、河流、蛇状花样等。全韧性断口：断口晶状区面积百分比定为0%；全脆性断口：断口晶状区面积 百分比定为100%；韧脆型断口：断口晶状区面积百分比需用工具显微镜进行测量，在显微镜下观察断裂试样的断裂面，脆性断裂部分一般呈明暗斑点无归分布，通过测量计算可得出脆性断裂梯形的面积。三、试验材料、试样试验材料：低碳钢、工业纯铁和T8钢 试样：本次试验采用的国家标准为GB/T229-1994金属夏比缺口冲击试验方法，试样为U型试样，试样的长度为55mm,横截面为10mm*10mm的方形截面。试样的具体尺寸及公差如图一所示：图（1）：金属夏比缺口U型试样尺寸及公差四、设备仪器与设备试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备本实验需要测定试验温度、冲击吸收功、截面脆性区的面积三个量试验测量工具、仪器及设备：（1） JB-300B冲击试验机，性能指标：冲击试验机的标准打击能量为（30010J），打击瞬间摆锤的冲击速度应为5.05.5m/s，试验机的试样支座及摆锤刀刃尺寸应符合下图：（2）其相关参数如表一所示最大冲击能量：300J/150J摆锤预扬角：150摆轴中心至打击中心的距离：750mm、800mm冲击速度：5.2m/s冲击试验机的标准打击能量为300J(10J)，打击瞬间摆锤的冲击速度应为5.05.5m/s，冲击试验机一般在摆锤最大能量的10%90%范围内使用；实验前 应检查摆锤空打时被动指针的回零道，回零差不应超过最小分度值的四分之一。（2）工具显微镜用来测量长度后计算断口脆性区面积。（3）加热用电炉和保温瓶对于高温或低温冲击试验，保温瓶应能将试验温度稳定在规定值的2之内。使用液体介质加热或冷却试样时，保温瓶应有足够容量和介质，并应使介质温度均匀。（4）温度计 测温用的玻璃温度计最小分度值应不大于1。在高温或低温冲击试验中，可使用各种方法加热或冷却试样，试验用介质应安全无毒，不腐蚀金属。试样应在规定温度下保持足够时间，使用液体介质时，保温时间不少于5min。移取样品时，夹具的温度介质温度尽量相同。试样从介质中移出至打击的时间应在5s内。（5）试验介质本次试验采用的介质有热水、液氮。五、试验步骤与程序（1）检查冲击试验机是否工作正常。（2）对试样分组并确定各个样品的测量温度。（3）对样品根据需要进行降温或升温。高温样品用热水加热，低温样品用液氮和酒精降温，从而得到不同所需温度的样品。在保温瓶中加入足够的热水/液氮（若温度过低可加入酒精升温），用镊子将三种不同材料的样品放入保温瓶中浸没，之后将镊子也放入保温瓶中。用温度计测量液体温度，待读数稳定读出示数。在降温处理时要看是否达到所需温度，若没达到，可再加入液氮/酒精来降温/升温（此时温度计要拿出）。达到所需温度后，盖上保温瓶盖子，将温度计、镊子和样品在保温瓶中保温5分钟。（4）冲击试样。在将样品拿出前，读出保温瓶中温度计示数并记录下来，作为样品的冲击温度。之后冲击所有试样，得出冲击功并记录下来。注意当样品明显未冲断时，在冲击功前加上“”。（5）观察断口形貌。（6）计算脆性断面率。将样品放在工具显微镜下，用工具显微镜测量所需的断面脆性区各长度，从而计算出脆性区面积。由公式计算出脆性断面率并记录下来（7）观察所有试样的断裂界面，整理实验仪器及样品。六、试验结果与分析讨论1、试验数据记录 表1 系列冲击试验第一大组数据第一组实验数据温度/1980018304060低碳钢Ak/J14816812411587904.0断口解理面积/%22067526470100T8钢Ak/J15357.06.04.0断口解理面积/%100100100100100纯铁Ak/J2783008/116/85.5断口解理面积/%0094/94100/94100表2 系列冲击试验第二大组实验数据第二组实验数据温度/摄氏度7920-120304060低碳钢Ak/J232144140110.5684.54.5断口解理面积/%024325775100100T8钢Ak/J28542213.5断口解理面积/%100100100100纯铁Ak/J128300/62836.0断口解理面积/%00/1000192、试验数据处理方案确定韧脆转变温度时，应根据不同温度下的冲击试验结果，以试验温度为横坐标，以冲击吸收功或脆性断面率为纵坐标，绘制曲线。确定韧脆转变温度的方法包括：方法一根据冲击吸收功：温度曲线上平台与下平台区间规定百分数一般为50%所对应的温度，用DBTT表示。方法二. 根据脆性断面率: 温度曲线中规定脆性断面率一般为50%所对应温度，用FATT表示。本次试验中采用方法一确定韧脆转变温度。3、试验样品断口形貌的观察 本次试样我所用的样品为低碳钢，温度为-20，冲击功为110.5J。 观察端口，可以看到除去样品上已经有的U型缺口外，断口有塑性区同时也有脆性区。塑性区的特征是有明显塑性变形，断口不平整，形状改变大，颜色灰暗。该样品也观察到明显的脆性区，俱有断口平整，呈梯形，颜色白亮等特点。 4、计算脆性断面率。将样品放在工具显微镜下，用工具显微镜测量所需的断面脆性区各长度，从而计算出脆性区面积。尺寸如下图：由上图得=45.38故脆性断面率5、韧脆转变温度的确定（1）低碳钢(Q235)的韧脆转变温度的确定利用Origin软件根据波尔兹曼函数作图得到低碳钢的韧脆转变行为曲线，如图二所示。 图二：低碳钢的韧脆转变行为曲线通过对AkT曲线拟合，以可读出Ak最大值约为197J,最小值为0J，根据Boltzmann曲线性质，可取二者中间值作为韧脆转变点 ，即Ak=99J时，T=-19.9，即利用冲击吸收功所得韧脆转变温度ETT50为-19.9。通过 对S-T曲线拟合，对脆性断面率取点S=50%时，T=-9.0，即利用脆性断面率所得韧脆性转变温度FATT50=-9.0。（2）T8钢的韧脆转变温度的确定利用Origin软件根据波尔兹曼函数作图得到低碳钢的韧脆转变行为曲线，如图三所示。图三：T8钢的韧脆转变行为曲线由图三可知T8钢没有明显的韧脆转变现象。试样的断面解理率都是100%。（3）纯铁的韧脆转变温度的确定利用Origin软件根据波尔兹曼函数作图得到低碳钢的韧脆转变行为曲线，如图四所示。图四：纯铁的韧脆转变行为曲线通过对AkT曲线拟合，以可读出Ak最大值约为289J,最小值为70J，根据Boltzmann曲线性质，可取二者中间值作为韧脆转变点 ，即Ak=180.5J时，T=-24.1，即利用冲击吸收功所得韧脆转变温度ETT50为T=-24.1。通过对S-T曲线拟合，对脆性断面率取点S=50%时，T=-23，即利用脆性断面率所得韧脆性转变温度FATT50=-23。七、实验结果分析表3三种材料韧脆转变温度 韧脆转变温度（）材料ETT50FATT50Q235钢-19.9-9.0T8钢纯铁-24.1-23由试验结果可知，低碳钢、T8钢、纯铁的韧脆转变行为各不相同。低碳钢和纯铁均出现了明显的韧脆转变行为，而T8钢却没有出现明显的韧脆转变行为，其原因是T8钢是含碳量高的BCC碳钢。对于碳钢，仅当含碳量比较低时（中、低强度），在系列冲击试验的某一温度才显示出冲击功和脆性断裂百分率的突然下降或上升，随着含碳量的不断提高及碳钢强度的提高，韧脆转变温度区间越来越宽，碳钢的韧脆转变现象也变得越来不明显。 经过对比可知，在相同温度下T8的断口解理面积最大，冲击功最小；纯铁的断口解理面积最小，冲击功最大，韧脆转变温度最低；低碳钢的断口解理面积和冲击功介于两者之间，韧脆转变温度较低。因此可得出结论T8钢的冷脆性最大，纯铁的冷脆性最小，低碳钢的冷脆性介于两者之间。影响冲击试验致脆的因素影响冲击试验致脆的因素主要是温度，随着温度的降低，同种材料的冲击功下降，断口解理面积增大，即塑性下降，脆性上