金属材料系列冲击实验与低温脆性

1、金属材料系列冲击实验与低温脆性陈国滔 材科一、 实验目的1. 了解材料韧性的特点及冲击实验对材料韧性检测的效果；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；3. 学习低碳合金钢韧脆转化温度的测定方法,通过结合夏比冲击实验归纳找出降低金属韧性的致脆因素。二、 实验原理1.金属夏比冲击实验原理夏比冲击实验是将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击实验机的试样支座上，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，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的冲击吸收功。试样的冲击吸收功在实验中用摆锤冲击前后的位能差测定如下

2、所示：A摆锤起始位能; A1摆锤打击试样后的位能。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：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。2.钢铁韧脆转变温度原理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。而对于bcc结构的钢铁，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。这种现象就是韧脆转变。当足够高温时，钢铁一般是晶体结构，温度的上升会导致晶体键的断裂，而钢仍为较硬的固态，所以此时的钢铁变脆容易折断。当足够低温时，

3、脆性受临界解理应力和临界分切应力的影响，两者随着温度降低而升高，在某一温度两者相等，其对应温度就是Tc，这个温度就是韧脆转变温度。继续降温，屈服强度继续升高，大于断裂强度，所以低温下材料在没有塑性变形的条件下已经发生脆性断裂。材料的断裂强度受温度影响较小。当温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，此时的温度为韧脆转变温度。3. 韧脆转变温度确定原理实验通过改变实验温度，进行一系列冲击实验以确定材料从人性过渡到脆性的温度范围，称为“系列冲击实验”。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

4、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）。脆性断裂百分数的测量：在显微镜下观察断裂试样的断裂面，脆性断裂部分一般是白亮的梯形，通过测量计算可得出梯形的面积，按下式计算出脆性断裂百分数：。三、 实验器材1、实验材料：低碳钢(Q235)、工业纯铁和T8钢。2、实验器材：冲击实验机（摆锤式冲击实验机主要由机架、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）；本实验中采用夏比试样，即截面为的方棒，一面中间有深为的型缺口试样。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

5、口越深、越尖锐，值越小，材料表现的脆性越大；工具显微镜（型号）；控温及测温仪器：加热用电炉和保温瓶 温度计；介质：酒精，水，液氮；其他器材：镊子。四、 实验设备参数1.钢铁：低碳钢含碳量从0.10至0.30%，工业纯铁含碳量在0.04%以下，T8属于碳素工具钢，含碳量0.7%2.实验冲击机，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。其他技术条件应符合GB 3808规定，并应定期按JJG 145检定。3.测温仪器，高温冲击实验时，一般采用热电偶测温，低温冲击实

6、验时，一般采用最小分度值不大于1的玻璃温度计。测温仪器(数字指示装置或电位差计)的误差应不超过±0.1%。热电偶参考端温度应保持恒定，偏差应不超过±0.5。4.介质：在高温或低温冲击实验中，可使用各种方法加热或冷却试样，实验用介质应安全、无毒，不腐蚀金属。使用的介质如下所示：实验温度()介质>200空气加热200一>35高温油<10一0水+冰0一-70乙醇+干冰-70一-150无水乙醇+液氮使用液体介质加热或冷却试样时，恒温槽应有足够容量和介质，并应有使介质温度均匀的装置。对于高温或低温冲击实验，温度控制装置应能将实验温度稳定在规定值的±2 之内

7、。五、 实验步骤1、检查摆锤空打时被动指针的回零差。回零差不应超过最小分度值的四分之一；检查试样尺寸的量具最小分度值应不大于0.02mm；2、确定样品各测量温度。并为Q235、纯铁、T8等不同温度下的试样进行标号；3、调试温度，以达到试样规定的实验温度。高温样品用热水升温，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；4、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，然后独立进行冲击实验操作，得出冲击功并记录下来；试样从液体介质中移出至打击的时间应在2s之内，试样离开气体介质装置至打击的时间应在1s之内。如果不能满足上述要求，则必须在3-5s内打断试样，此时应采用过冷或过热试样

8、的方法补偿温度损失。对于高温实验，应充分考虑过热对材料性能的影响。5、在工具显微镜上观察冲击试样断口；6、计算脆性断面率；7、整理实验仪器及样品；8、数据处理及分析。六、 实验数据以下表1和表2是小组1和小组2测量各种钢铁在不同温度下的冲击吸收功和脆性断面率。表1 温度/水温85.5室温180-20-30-40-60Q235Ak/J27514112010698.546.5断口解理面积%041.65%62.60%55.37%64.27%100%100%T8Ak/J31.52144断口解理面积%100%100%100%100%FeAk/J28215.5912.5断口解理面积%0%97.26%100

9、%100%表2温度/水温80室温180-20-30-40-60Q235Ak/J2821521261087821.57.5断口解理面积%018.27%64.60%81.84%88.75%100%100%T8Ak/J35244.54.52.5断口解理面积%100%100%100%100%100%FeAk/J14.5264414.5断口解理面积%100%未断100%100%七、 实验数据处理及分析根据上述表中数据。绘制冲击功Ak-T曲线和断口脆性区面积百分数-温度T曲线，综合两个小组的数据，得到如下：Q235低碳钢：利用origin进行拟合，获得其韧脆转变温度曲线如下：图1拟合过程所得参数及由图像读

10、出的韧脆转变温度列表如下：Area ratio/%Ak/JA1100441.8A2010.5（A1+A2）/250226.15DBTT2019所以低碳钢的 DBTT 为19，FATT 为20。T8钢：利用origin进行拟合，获得其韧脆转变温度曲线如下：图2拟合过程所得参数及由图像读出的韧脆转变温度如下：Area ratio/%Ak/JA13.33A236.14（A1+A2）/219.74DBTT18由于T8 钢是含碳量高的 BCC 碳钢，并不是所有的 BCC 合金都会有明显的韧脆转变现象，所以T8 钢没有明显的韧脆转变现象。工业纯铁：利用origin进行拟合，获得其韧脆转变温度曲线如下：图3

11、拟合过程所得参数及由图像读出的韧脆转变温度如下：Area ratio/%Ak/JA1808.375A228.6212（A1+A2）/254.3110.19DBTT-38-38所以工业纯铁的 DBTT 为 -38，FATT 为-38。八、 实验结论工业纯铁的断口解理面积最小，冲击功最大，韧脆转变温度最低，而工业纯铁的含碳量是三者中最低的。T8的断口解理面积最大，冲击吸收功最小，韧脆转变温度最高，而T8钢的含碳量是三者中最高的，随着碳含量的增加，碳原子作为间隙原子会形成柯垂尔气团，阻碍位错的运动，材料的塑性变形困难，从而显示脆性。低碳钢Q235的含碳量是位于三者的中间位置，钢属于中低强度钢，体心立方结构，其冲击功，断口解理面积，韧脆转变温度都处于三者之间。低温下显示冷脆性，高温下具有很好的塑性。工业纯铁与钢有明显的韧脆转变温度的原因是它们都是bcc结构，低温下，点阵阻力增大，阻碍位错开动，塑性变形困难，显示冷脆性；高温时，点阵阻力减小，位