金属系列冲击试验

1 金属系列冲击实验报告 专业 材料科学与工程 学生姓名 郭会明 指导教师 强文江 叶荣昌 完成时间 2020 年 4 月 3 日 2 一 一 试验内容 目的与要求试验内容 目的与要求 1 了解摆锤冲击试验的基本方法 2 通过测定低碳钢 工业纯铁和 T8 钢在不同温度下的冲击吸收功 观察比较金属 韧脆转变特性 二 二 实验原理实验原理 韧性是材料承受载荷作用指导发生断裂的过程中吸收能量的特性 冲击试验是在高 速载荷作用下材料韧性的通用试验方法 试验测量结果为冲击吸收功 采用系列冲击试 验 即测定材料在不同温度下的冲击吸收功 可以确定其韧脆转变温度 国标规定用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口进行一次性打击 测量试样折 断时的冲击吸收功 一次摆锤冲击试验是目前广泛使用的一种冲击试验方法 它是将规定形状尺寸的试 样放置在固定支架上 然后把具有一定位能的摆锤释放 使试样承受冲击弯曲载荷以至 断裂 摆锤冲击试验装置的工作原理是 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 冲击断裂后试样吸收的功成为冲击功 冲击功除以试样缺口处的横截面积所得的商 称为冲击韧性 以 ak 表示 反映了在指定温度下 材料在缺口和冲击加载速度的载荷共 同作用下的脆化趋势和程度 因为在这种情况下 材料的脆性主要是由缺口造成的 由 于冲击载荷作用时间极短 缺口应力集中不可能很快松弛 塑形变形仅局限在缺口附近 极局部的区域 塑形变形不能充分进行 为增大材料脆断倾向提供了条件 正因为它反 映了材料的脆断趋势 因此缺口冲击试验的最大意义在于 确定材料韧脆转化的一定温 度范围 三 材料 试样与试验设备及试验程序三 材料 试样与试验设备及试验程序 1 1 试验材料与试样 试验材料与试样 试验材料 低碳钢 工业纯铁和 T8 钢 低碳钢又称软钢 含碳量从 0 10 至 0 30 低碳钢易于接受各种加工如锻造 焊接 和切削 常用於制造链条 铆钉 螺栓 轴等 碳含量低于 0 25 的碳素钢 因其 强度低 硬度低而软 故又称软钢 它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结 3 构钢 大多不经热处理用于工程结构件 有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械 零件 本试验选择的低碳钢为 Q235 钢 为普通低碳钢 屈服强度为 235MPa 由于含碳 适中 综合性能较好 强度 塑性和焊接等性能得到较好配合 用途最广泛 工业纯铁是钢的一种 其化学成分主要是铁 含量在 99 50 99 90 含碳量在 0 04 以下 其他元素愈少愈好 因为它实际上还不是真正的纯铁 所以称这一种接近于 纯铁的钢为工业纯铁 一般工业纯铁质地特别软 韧性特别大 电磁性能很好 常见的 有两种规格 一种是是作为深冲材料的 可以冲压成极复杂的形状 另一种是作为电磁 材料的 有高的感磁性的低的抗磁性 T8 属于碳素工具钢 淬硬型塑料模具用钢 淬火回火后有较高硬度和耐磨性 但热 硬性低 淬透性差 易变形 塑性及强度较低 用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种 工具 如形状简单的模子和冲头 切削金属的刀具 打眼工具 木工用的铣刀 埋头钻 斧 凿 纵向手用锯 以及钳工装配工具 铆钉冲模等次要工具 横梁式夏比缺口冲击试验 试样上有 V 或 U 形缺口 也叫做夏比缺口 是截面为 10 10mm 的方棒 一面中间有一 45 度的 V 形缺口 深 2mm 根部直径 2mm 试验 中还要根据需要加热或者保温到规定的温度 本试验中采用的为 U 形缺口 缺口深度为 2mm 根部直径为 2mm 2 2 试验测试内容与相关的测量工具 仪器 设备 试验测试内容与相关的测量工具 仪器 设备 摆锤冲击试验机摆锤冲击试验机 型号 JB 300B 显示方式 度盘显示 冲击能量 150 300J 分度值 1J 2J 误差 0 5J 试样尺寸 10 7 5 5 2 5 mm 10mm 55mm 工具显微镜工具显微镜 型号 15JE 测量范围 50 x50mm 测量精度 0 01mm 4 测量误差 0 01mm 恒温槽恒温槽 型号 3 5P 瓶胆保温桶 温度计温度计 温度计最小分度 1 测量误差 0 5 3 3 试验步骤或程序 试验步骤或程序 3 13 1 材料与试样 材料与试样 试验材料为低碳钢 工业纯铁和 T8 钢 横梁式夏比缺口冲击试验 试样上有 V 或 U 形缺口 也叫做夏比缺口 是截面为 10 10mm 的方棒 一面中间有一 45 度的 V 形 缺口 深 2mm 根部直径 0 25mm 试验中还要根据需要加热或者保温到规定的温度 3 23 2 试验准备 试验准备 将试样放在支座上 缺口背对摆锤放置 将一定冲击功的摆锤从高处放下 然后冲 击支座上的试样 将试样冲断或者冲弯 在冲击试验机上会有冲击功的数值显示 将此 数值记录下来 冲击断裂后试样吸收的功成为冲击功 冲击功除以试样缺口处的横截面 积所得的商称为冲击韧性 以 ak 表示 3 33 3 调节温度 调节温度 在领取试样后 根据加热或者冷却温度的不同 将班级分为七组 每组的温度分别 为 78 18 3 20 30 40 60 每个小组内有低碳钢 工业纯铁和 T8 钢的试样 在 40 的小组中 将试样编号 放到相应的恒温槽中 试样的缺口要朝下 放置 同时将温度计和镊子放到锅中的酒精中浸泡 然后将液氮倒入恒温槽中 用盖子 盖好 进行降温 当温度降到 40 时 开始计时 保温 3 分钟 然后降到 40 5 时将温 度计取出 等待冲击试验进行 3 43 4 试验测试 试验测试 将冷却到规定温度的试样放到冲击试验机的支座上 然后将试验机的指针清零 然 后释放摆锤 将试样冲断或者冲弯后 读取冲击试验机上的数值 即为此温度下 相应 样品的冲击功 为 ak 5 3 53 5 断口形貌与脆断区面积测量 断口形貌与脆断区面积测量 对于 20 Q235 钢 冲击后的脆性断裂区并不是 100 也不是 0 因此要对脆性 区的面积要进行测量 测量的工具为工具显微镜 将样品放到工具显微镜的载物台上 然后在目镜中观察试样 将目镜中的中心十字线对准脆性区的一个顶角 然后记录工具 显微镜上的横纵坐标的数值 依次测量脆性区的其他三个顶角 记录相应的坐标值 将 四个顶角的坐标值相减 可以得到脆性区的上下底和高 脆性区的形状一般为梯形 如 果脆性区为 100 则形状与原来的正方几乎相同 四 试验结果与分析讨论四 试验结果与分析讨论 1 1 试验数据处理与分析讨论 试验数据处理与分析讨论 1 11 1 断口形貌断口形貌 如图 1 所示的为 Q235 低碳钢冲断后的断口形貌 通过图片可以清晰地看到 在冲断 的表面有一大片的脆性区 脆性区有很多的光亮的小表面 这是断裂后表面的小晶面 在脆性区的底部有一窄条的韧性区 韧性区表面不光亮 这是因为断裂形成剪切唇或者 韧窝 呈现纤维状 这些对光的反射不是很强烈 因此不光亮 图 1 冲断后的 Q235 低碳钢断口形貌 通过工具显微镜的测量 可以得到脆性区的尺寸 8 721cm 6 523cm 10 404cm 6 由此可以得到脆性区的百分比为 97 77 108 2 1523 6 404 10721 8 1 21 2 各个温度下的冲击功和脆性区百分比 各个温度下的冲击功和脆性区百分比 表 1 第一小组冲击试验数据汇总 系列冲击试验数据 温度 7818 3 20 30 40 60 Ak J278145124 594 572226 断口解理面积 029447082100100Q235 完成人郝冠清侯爽周子瑜张一清赵洋洋杨海洋于延晨 Ak J3125 5 5 3 5 断口解理面积 100100 100 100T8 完成人王雪姣柏鉴玲 蔡崇涛 陈明 Ak J 280 241 5 273 242 66 断口解理面积 00 00 100100 纯铁 完成人 杜伟伟关琳 钟旭晁刘峰 李同李东 表 2 第二小组冲击试验数据汇总 系列冲击试验数据 温度 7818 3 20 30 40 60 Ak J 300148130 11094 525 195 674 断口解理面积 026 10022 78100Q235 完成人刘茂森马月媛陈凡 刘丰王凯杨乔肖将楚 郭会明王玉安 Ak J34 156 5 断口解理面积 100 100100 100T8 完成人马翔 刘金辉钱博文 李倩 Ak J 300 300 2237 5 86 断口解理面积 00 0100 100100 纯铁 完成人 文翰剡付超 朱婷张露茜 李鑫何庆 由此可以得到韧脆转变曲线 Q235 低碳钢的韧脆转变曲线如下图所示 7 图 2 Q235 低碳钢的韧脆转变曲线 温度 百分比曲线 图 3 Q235 低碳钢的韧脆转变曲线 温度 冲击功曲线 T8 钢的韧脆转变曲线如下图所示 8 图 4 T8 钢的韧脆转变曲线 温度 冲击功曲线 图 5 T8 钢的韧脆转变曲线 温度 百分比曲线 工业纯铁的韧脆转变曲线如下图所示 9 图 6 工业纯铁的韧脆转变曲线 温度 百分比曲线 图 7 工业纯铁的韧脆转变曲线 温度 冲击功曲线 通过以上曲线可以得到 Q235 低碳钢 T8 钢 工业纯铁的韧脆转变温度为脆性区为 50 时所对应的温度 因此可以得到如下 表 3 低碳钢 T8 钢 工业纯铁的韧脆转变温度 Q235 T8 钢工业纯铁 韧脆转变温度 DBTT 15 78 35 韧脆转变温度 FATT 8 78 40 10 2 2 试验结果的分析讨论试验结果的分析讨论 通过比较三种材料的韧脆转变温度可以知道 1 Q235 低碳钢的韧脆转变温度较低 在常温下有很好的韧性 但是在特殊环境下 例如在东北地区 这种材料的使用要考虑到冬季低温下的脆性转变 2 T8 钢的韧脆转变温度较高 说明在常温下 T8 钢的塑形较差 容易发生脆性断裂 在使用过程中应该考虑 不能运用在要求较高韧性的地方 3 工业纯铁的韧脆转变温度最低 说明工业纯铁在常温下有很好的韧性 材料的韧性和脆性是相对的 不同材料的韧性和脆性不同 同一种材料在不同的环 境中也呈现出不同的性质 因此非常有必要对材料的韧脆性和韧脆转变进行测定 同时 影响材料韧脆转变的因素也很多 1 力学因素的影响 在受力过程中 当应力状态软性系数 s f 时 材料在任何一种加载方式时 破坏前产生明显塑形变形状态 称为软状态 若有某种原因使应力状态软性系数 下降 当 s f 时 说明应力状态从软变硬 意味着该材料在任意一种加载方式下 破坏 前将不产生塑形变形 变成脆性断裂 2 温度的影响 一般情况下 降低温度总是增加材料的致脆倾向 在外载作用下 温度越低 塑形 变形越困难 导致脆性断裂 随着温度的升高 材料发生由脆性断裂向韧性断裂的变化 本实验中采用的工业纯铁的试样为 bcc 结构 随着温度的降低 s f 逐渐增大 使应力状态软性系数 s f 导致弹性变性后直接的脆性断裂 而在较高温度下 由 于 s f 降低 使得 大于它 导致受载后发生经弹性变形到塑形变形最后以塑形切 断结束 3 加载速度的影响 提高加载速度与降低温度的作用类似 是导致材料脆化的因素之一 在高速加载的条件 下 由于比较高的应力水平 在使多个位错源同时开动时位错密度大幅度提高 致使金 属材料中塑形变形难以充分进行 导致塑形变形的不均匀 限制了塑形变形的发展 4 材料结构与性质 Bcc 结构金属如超高强钢等的 bcc 结构强化材料 由于多种强化手段大幅度提高了材料的 11 切变屈服强度 s 而对 f 的影响不明显 因此往往显示脆性 四 试验结论四 试验结论 通过本次的冲击实验可以得到以下几个结论 1 摆锤冲击实验可以测