第六章_金属夏比冲击试验.doc

第六章 金属夏比冲击试验工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。金属材料在使用过程中除要求足够强度和塑性外，还要求有足够的韧性。一.韧性的定义：就是材料在弹性变形、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。二.韧性的分类：分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。冲击韧性（即在冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力）的试验方法。缺口冲击载荷 使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。降低温度 （脆断趋势）三.夏比冲击试验的优缺点：夏比冲击试验是由法国工程师夏比(Charpy)建立起来的，虽然试验中测定的冲击吸收功Ak值缺乏明确的物理意义，不能作为表征金属制件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据，但因其试样加工简便、试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验。四.夏比冲击试验的主要用途：1.评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。零部件截面的急剧变化从广义上都可视作缺口，缺口造成应力应变集中，使材料的应力状态变硬，承受冲击能量的能力变差。由于不同材料对缺口的敏感程度不同，用拉伸试验中测定的强度和塑性指标往往不能评定材料对缺口是否敏感，因此，设计选材或研制新材料时，往往提出冲击韧性指标。2.检查和控制材料的冶金质量和热加工质量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示材料的夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造、焊接、热处理等热加工缺陷。3.评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性 用系列冲击试验可测定材料的韧脆转变温度，供选材时参考，使材料不在冷脆状态下工作，保证安全。而高温冲击试验是用来评定材料在某些温度范围如蓝脆、重结晶等条件下的韧性特性。五.标准 按其服役工况有：简支梁下的冲击弯曲试验（夏比冲击试验）悬臂梁下的冲击弯曲试验（艾氏冲击试验） GB/T41581984冲击拉伸试验冲击扭转试验夏比冲击试验按试验温度可分为高温、低温和常温冲击试验，按试样的缺口类型可分为V型和U型两种冲击试验。现行国家标准GB/T2291994金属夏比缺口冲击试验方法将以上所涉及的试验方法统一合并在一个标准内，更加便于执行。第一节 冲击试验原理夏比冲击试验是将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击试验机的试样支座上，使之处于简支梁状态。然后用规定高度的摆锤对试样进行一次性打击，如图6-1所示，实质上就是通过能量转换过程，测量试样在这种冲击下折断时所吸收的功。试样的冲击吸收功在试验中用摆锤冲击前后的位能差测定: Ak = AA1 (6-1) (6-2) (6-2) 式中 A 摆锤起始位能，J；A1摆锤打击试样后的位能，J。如不考虑空气阻力及摩擦力等能量损失，则冲断试样的吸收功为 (6-4)式中 F摆锤的重力，N；L摆长(摆轴至锤重心之间的距离)，mm；冲击前摆锤扬起的最大角度，弧度；冲击后摆锤扬起的最大角度，弧度。第二节 夏比冲击试样与试验设备一、冲击试样标准夏比缺口冲击试样的结构示意图见图6-2图6-4。1.冲击弯曲试验试样的种类： 夏比v型缺口冲击试样缺口试样 （我国以前称夏氏试样） 夏比u型缺口冲击试样，缺口深度分别为2和5mm两种（我国以前称梅氏试样） 无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）2.冲击试样开缺口的目的是：使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，Ak值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸试样的Ak值不能相互换算和直接比较。3.试样类型的选择原则：一般情况下，尖锐缺口和深缺口试样适用于韧性较好的材料。当试验材料的厚度在lOmm以下而无法制备标准试样时，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试样。小尺寸试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同。缺口应开在试样窄面上。缺口几何参数的影响：a由于冲击试样的缺口深度、缺口根部曲率半径及缺口角度决定缺口附近的应力集中程度从而影响该试样的冲击吸收功，试验前应检查这几个尺寸参数。b 缺口底部表面质量 缺口底部应光滑，不应出现与缺口轴线平行的加工痕迹和划痕 缺口底部表面粗糙度参数Ra应不大于1.6m。试验前应对试样进行适当的标记，以避免混淆，但标记的位置不应影响试样的支承和定位，并且应尽量远离缺口。焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面，如图6-5所示。试样的缺口按试验要求可分别开在焊缝、熔合线或热影响区，其中开在热影响区的缺口轴线与熔合线的距离按产品技术条件规定，如图6-6所示。二、冲击试验机1.组成和型号 摆锤式冲击试验机主要由机架、摆锤、试样支座、指示装置及摆锤释放、制动和提升机构等组成。目前国产的摆锤式冲击试验机型号很多，如:JB-30A、JB-30B、JBG-30、JBD-30、JBD-30A等，各种试验机的基本技术参数是相同的，结构形式及操作方法也基本一致，例如最大打击能量分别为300J（10J）和15OJ(10J)两档，打击瞬间摆锤的冲击速度在5.05.5m/s之间，这些均符合GB/T229-1994标准的要求，它们的主要区别在送样方式(手动或自动)和指示装置(表盘或数显)上。2.安装要求 为避免其刚度下降而影响试验结果，冲击试验机应稳定牢固地安装在厚度大于 15Omm的混凝土地基或质量大于摆锤40倍的基础上，同时试验机的试样支座及摆锤刀刃尺寸应符合图6-7的规定。3.选用及日常检查 对于新出厂的摆锤式冲击试验机，应按照GB3808摆锤式冲击试验机进行验收检查，对于日常使用的试验机，应定期按JJGl45摆锤式冲击试验机检定规程进行检定。使用冲击试验机时，不能用大能量的试验机去打击吸收功很小的样品。以免造成较大的误差，见下图。一般规定使用能量的下线为最大打击能量的10。三、温度控制系统高温冲击试验的温控装置由：加热炉、温度控制仪器、热敏元件组成。 使用液体冷却试样低温冲击试验的制冷和控制装置由 喷射冷源的气体 压缩机制冷的低温槽四、温度测量系统高温冲击试验时，一般采用热电偶测温低温冲击试验时，一般采用最小分度值不大于1的玻璃温度计。第三节 常温冲击试验一、 试验前的准备工作1. 试验温度 1035。严格时试验在202。2. 检查试样尺寸 3. 选择冲击试验机 在试验机摆锤最大能量的1090范围内。4. 进行空打试验 将摆锤扬起至扬角位置，把从动针拨到最大冲击能量位置（如果使用的是数字显示装置，则应清零)，释放摆锤，读取零点附近的被动指针的示值(即回零差)，回零差不应超过最小分度值的1/4(以最大量程300J为例，最小分度值为2J,1/4分度值为0.5J，其回零差应不超过0.5J)。 二、试验操作要点 (一)试样的定位将试样紧贴支座放置，并使试样缺口的背面朝向摆锤刀刃。试样缺口用专用的对中夹钳或定位规收中，使缺口对称面位于两支座对称面上，其偏差不应大于0.5mm。 (二)操作过程 将摆锤扬起至预扬角位置并锁住，把从动指针拨到最大冲击能量位置(如果使用的是数字显示装置，则清零)，放好试样，确认摆锤摆动危险区无人后，释放摆锤使其下落打断试样，并任其向前继续摆动，直到达到最高点并向回摆动至最低点时，使用制动闸将摆锤刹住，使其停止在垂直稳定位置，读取被动指针在示值度盘上所指的数值(数字显示装置的显示值)，此值即为冲击吸收功。 (三)试样数量 由于冲击试验结果比较离散，一般对每一种材料试验的试样数量不少于3个。 三、冲击试验结果处理及试验报告 (一)冲击吸收功的有效位数 冲击吸收功应至少保留2位有效数字，即冲击吸收功在1OOJ及以上时，应是3位数字，如12OJ；冲击吸收功在101OOJ时，应为2位数字，如75J；冲击吸收功在lOJ以下时，应保留小数点后1位数字，一般修约到0.5J，如7.5J，修约方法按GB8170执行。这样报告的试验结果基本上能与试验测量系统的不确定度相适应，如果过多保留有效位数则夸大了试验的测量精确度，有效位数不够则增大了误差。 (二)冲击吸收功的表示方法 为了表示不同类型冲击试样的试验结果，3种类型试样的冲击吸收功用如下符号表示，以示区别: V型缺口试样的冲击吸收功，表示为AkV； 深度2mmU型缺口试样的冲击吸收功表示为AKU2； 深度5mmU型缺口试样的冲击吸收功表示为AKU5。 除以上3种非标准冲击试样，当报告冲击吸收功时，应将试样的缺口形状、尺寸在报告中详细注明。 (三)试验中几种情况的处理 (1)由于试验机打击能量不足使试样末完全折断时，应在试验数据之前加大于符号“”，其他情况则应注明“末折断” 。 (2)试验后试样断口有肉眼可见裂纹或缺陷时，应在试验报告中注明。 (3)试验中如出现误操作，或试样打断时有卡锤现象时，此时得到的结果已不准确，因此试验结果无效，应重新补做试验。 (四)试验结果对比 由于冲击试样尺寸及缺口形状对冲击吸收功影响非常大，所以不同类型和尺寸试样的试验结果不能直接对比，也不能换算。(五)试验报告冲击试验报告应包括如下内容(1)所采用的试验方法标准号；(2)试验材料种类及标志；(3)试样尺寸及类型；(4)试验温度；(5)试验机打击能量；(6)冲击吸收功；(7)韧脆转变温度(必要时)；(8)试验日期。第四节 高温和低温冲击试验 在高温和低温下进行冲击试验，除了应掌握常温冲击试验的知识和技能外，还应注意温度的控制和测量以及温度对试验的影响。 一、低温冲击试验 (一)试样保温时间 在低温冲击试验中，试样应在规定温度下保持足够时间，以使试样整体达到规定的均匀温度。如果使用液体介质时，保温时间应不少于5min；使用气体介质时，保温时间不少于20min。同时，用于移取试样所用的夹具也应放于相同温度的冷却介质中，确保与介质温度基本相同。 (二)温度补偿 对于低温冲击试验，从冷却装置中移出的试样温度会回升，从而偏离实际规定的低温温度。如果试样从液体介质中移出至打击的时间在2s之内，从气体介质装置移出至打击的时间应在1s之内，试样温度的回升可以忽略。这种操作方法称为直冲法，一般带有自动送样装置的冲击试验机可以满足上述要求，它的试样从冷却装置中提前移动，以保证与摆锤下落打击时间同步。 如果没有条件满足上述时间要求，为了尽量减少偏离的温度，可将试样冷却至低于规定的温度以补偿打断瞬间的温度损失，这种操作方法称为“过冷法” 。采用“过冷法”，也必须在35s内打断试样，如果试样从冷却介质中取出后5s内摆锤末放下，则停止试验，将试样重新放回到冷却介质中保温。 冲击试验过冷度的选择见表6-2，当使用液体介质时，可选用过冷度的下限，当使用气体介质时，可选用过冷度的上限，如果室温高于25，使用液体介质时也可选用过冷度的上限。 二、高温冲击试验 (一)试样定位 如果在高温冲击试验中来用直冲法，其试样采用端面定位的方式使试样缺口中心位于两支座对称面上，在高温下由于试样的热膨胀会改变高温试样的对中位置，因此，必须根据试样膨胀量调整定位机构。由于是端面定位，热膨胀所引起的对中误差只在试样的一半长度上起作用，因此定位块按式(6-5)计算的膨胀量进行移动后定位: (二)试样保温时间 高温冲击试验中试样保温时间的要求与低温冲击试验相同，由于高温冲击试样往往在空气中加热，因此其保温时间一般不应少于20min，但保温时间也不宜过长，以免造成试样表面的氧化，缺口根部表面的氧化。 对于较高温度的冲击试验，为防止缺口根部表面的氧化而影响试验结果，一般不要在升温开始时就将试样装人加热装置中，而应在接近试验温度后再装人试样。同时，用于移取试样所用的夹具也应同时放于加热装置中，确保与试样温度基本相同。 (三)温度补偿 与低温冲击试验相类似，当采用直冲法时，不需进行温度补偿，当采用过热法时，应按表6-3选择补偿温度，但此时应充分考虑过热对材料性能的影响，如果存在由于超过试验材料的临界温度而使材料组织发生变化，从而影响试验结果准确性的可能时，应采用直冲法进行试验。需要说明的是，无论对于高温冲击试验还是低温冲击试验，在可能的情况下要尽量采用“直冲法” 试验，因为影响温度损失的因素很多，像停滞在室温的时间、室温环境、材料的导热系数、试样与支座的接触状态、试验温度水平、介质的种类等因素均会改变温度损失的速度，无论过热法还是过冷法很难做到真正的、恰如其分的温度补偿。第五节 金属韧脆转变温度及低温系列冲击一、金属的冷脆现象及韧脆转变温度工程中广泛使用的中、低强度钢在常温下有很好的冲击韧性，但当使用温度低于某一温度时，其冲击韧性会急剧下降，断口特征由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型。这是由于体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金中，温度的变化改变了位错在晶体中运动的摩擦阻力。当温度降低时，材料的屈服强度s升高，而材料的断裂强度c随温度变化很小。在某一温度时，两曲线相交于一点，交点对应的温度即为tk(见图6-8)。当温度高于tk时，c s，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；当温度低于tk时，外加应力先达到c，材料表现为脆性断裂，tk被称为韧脆转变温度。由于材料化学成分的统计性，韧脆转变温度实际上不是一个温度而是一个温度区间。而面心立方结构材料的随温度的下降变化不大，近似为一水平线(图6-8中虚线所示)，即使在很低的温度仍未与c曲线相交，故此种材料的脆性断裂现象不明显。 不同金属材料的韧脆转变温度tk是不同的，tk愈低，表示脆性倾向愈小，即在低温下使用时危险性愈小。因此，对制造在寒冷地带和低温下服役设备和装置的金属材料，需测定韧脆转变温度tk，以确定其低温脆化倾向的大小，tk是从韧性角度选用金属材料的重要依据之一。 二、测量方法工程中，韧脆转变温度一般使用标准夏比V型缺口冲击试样来测定，因此，工程上韧脆转变温度被定义为：“在一系列不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域” ，为此，需要在不同温度下进行冲击试验，根据试验结果，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冲击吸收功-温度曲线、脆性断面率-温度曲线，如图6-9所示。再根据有关标准或双方协议，在曲线中确定韧脆转变温度。GB/T229-1994附录B中规定韧脆转变温度用如下方法确定:冲击吸收功-温度曲线上平台与下平台区间规定百分数(n)所对应的温度，用ETTn表示。例如冲击吸收功上下平台区间50%所对应的温度记为ETT50；脆性断面率-温度曲线中规定脆性断面率(n)所对应的温度，用FATTn。表示，例如脆性断面率为50%所对应的温度记为FATT50。侧膨胀值-温度曲线上平台与下平台区间某规定侧膨胀值所对应的温度，用LETT表示。 由于冲击试验中影响因素很多，试验数据比较分散，为了保证给出完整、明确的曲线，每个试验温度一般用3支试样，试验温度的间隔和试验点应根据材料的低温特性和试验要求而定，一般为2O左右，曲线平缓时，温度间隔可大些，曲线陡峭时，温度间隔可小些。 由图6-9可看出，用不同方法测定的韧脆转变温度是不同的，不能相互比较。三、脆性断面率的测定随着温度的下降，冲击试样断口上晶状区面积即出现大量晶粒开裂或晶界破坏约有光泽的面积增大，而纤维区面积即无金属光泽、有明显塑性变形的纤维形貌区面积减少，断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比就是脆性断面率，匝称晶丛逝面率，断口中纤维区的面积与断口原始横截面积的百分比就是纤维断回率，晶状区面积与纤维区面积相加就是断口的原始横截面积。测定晶状断面率的试样应按GB/T229的规定进行试验，试样冲断后应注意断口表面的保护，避免污染、锈蚀和碰伤，然后，可按如下方法测定脆性断面率。(一)对比法将冲击试样断口与冲击试样断口纤维断面率图谱或纤维断面率示意图(见图6-10)进行比较，估算出纤维断面率，然后计算脆性断面率。 (二)游标卡尺测量法 按冲击试样断口形状，若能分为矩形、梯形时，可用游标卡尺测量晶状断面的尺寸，见图6-11。测量断面中的a和b的平均值的测量应精确到0.5mm，然后在表6-4中查出纤维断面率后计算脆性断面率。 (三)数字图像法 将冲击断口拍成数字图像，用图像分析软件测量脆性断面率。 (四)放大测量法 把冲击试样断口拍成放大照片，用求积仪测量晶状区面积。也可用低倍显微镜等光学仪器测量晶状区面积，然后按式(6-6)计算出脆性断面率。 (五)卡片测量法 用透明塑料薄膜制成方孔卡片或网格卡片，测量晶状区面积，然后按式(6-6)计算出脆性断面率。已知晶状区的总面积，计算冲击试样断口的脆性断面率的公式如下： (6-6)四、侧膨胀值的测定第六节 影响冲击性能测定的主要因素 由于金属材料的冲击性能和韧脆转变温度对材料内部组织结构、宏观缺陷及试验条件都很敏感，因此，影响冲击试验结果的因素很多，其中主要的影响因素有以下几种。 一、与材料有关的因素 样品本身的化学成分、金相组织、晶粒度及是否含有夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等冶金缺陷或过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷都对样品的冲击性能产生影响，这正是冲击试验得到广泛应用的原因所在，从而也使冲击试验结果的离散性较大。试验人员可以通过对这些材料性能的了解，分析和解释试验数据，判断试验结果的准确性。 二、与样品取样和制备有关的因素 (一)样品的取样方向 工程上使用的金属材料，大多是轧制而成的，由于轧制时产生纤维组织对冲击值有较大影响，因此，沿轧制方向取样，垂直于轧制方向开缺口，冲击值较高；垂直于轧制方向取样，顺着轧制方向开缺口，冲击值较低。因此，冲击样品的取样方向应按照产品标准和有关协议的要求进行。 (二)缺口的加工质量冲击试样的缺口深度缺口根部曲率半径及缺口角度决定着缺口附近的应力集中程度，从而影响该试样的缺口冲击性能。缺口深度和缺口根部半径对冲击性能的影响分别见表6-5和表6-6，冲击试验标准对试样缺口的尺寸及形位公差做了严格的规定，在加工中必须注意保证这几个尺寸参数。此外，缺口根部的表面质量对冲击试验结果也有一定的影响，缺口根部表面层的加工硬化、尖锐的加工痕迹特别是与缺口轴线平行的加工痕迹和划痕会 明显使试样的冲击性能下降。(三)试样的尺寸增加试样的宽度或厚度会使金属在冲击中塑性变形体积的增加，从而导致试样冲击吸收功的增加。但是，尺寸的任何增大，特别是宽度的增加，会使约束程度增加，导致脆性断裂，降低冲击吸收功。 三、与试验机有关的因素 (一)试验机的精度 冲击试验机能量指示装置的相对误差尤其是能量指示装置的回零差对冲击试验结果有直接影响。 (二)摆锤与机架的配合 摆锤与机架的相对位置的正确性及稳定性，尤其是冲击刀刃与支座跨距中心的重合性及摆锤刀刃与试样纵向轴线的垂直度对于获得准确试验结果有很大的影响。当冲击刀刃偏离支座跨距中心时，冲击刀刃不能打击在冲击试样缺口中心线上，这将使吸收功增加。 四、与试验过程有关的因素 (-)试验温度 对于大多数材料，冲击吸收功随温度而变化，因此，温度控制的精度、保温时间以及高温、低温冲击试验时试样从保温介质中移出至打断的时间间隔都可能影响试验结果。 (二)冲击试样的定位 试样安放的位置，如果使试样缺口轴线偏离支座跨距中心，则最大冲击力没有作用在缺口根部截面最小处，将会造成冲击吸收叨堡员。一般来说，只有当试样缺口轴线与支座跨距中心偏离超过05mm时，对试验结果才有明显影响。第七节 应变时效敏感性试验 -、试验原理 钢铁材料，尤其是低碳钢 经、冷 口工变芜后长塑坐王高揖或较高温工工作，其塑性和韧性会明显下降，这种现象被称为应变过殃。钢经应变时效后韧性下降的程度周应变旦叉。敏感性担正一般采用夏比冲击法测定，即分别测定未经应变时效和经受应变时效的冲击吸收功，然后按下式计算:式中Ak末经受应变时效冲击吸收功平均值，J;AB经受应变时效的冲击吸收功平均值，J。二、试样、%由于在进行冲击试验前，冲击试样必须承受拉伸(或压缩)变形，因此，应变时效试样尺寸应能同时满足拉伸(或压缩)和冲击试验要求。(一)拉伸样坯对厚度大于或等于12mm的钢材，拉伸样坯尺寸一般为12岳mXl2mmXLmm，L为样坯长度，可根据拉伸试验机所需的夹持长度来确定。试样应保留一面轧制面。厚度为6mm至小于12mm的钢材，拉伸样坯尺寸一般为ammXl2mmXLmm,a为钢材的实际厚度，此时应保留两面轧制面。 (二)压缩样坯 对厚度大于或等于12mm的钢材，压缩样坯的尺寸一般为12mmXl2mmX57mm,并保留一面轧制面。厚度为6mm至小于l2mm的钢材，压缩样坯的尺寸为ammXl2mmX57mm，此时应保留两面轧制面。 当试验机的能力足够或拉伸(或压缩)样坯加工冲击试样比较困难时，对于厚度大于或等于15mm的钢材，也可以采用15mm厚的拉伸(或压缩)样坯。 (三)冲击试样 根据钢材厚度尽量