详尽金属力学性能及其试♀验（冲击试验）

05-22 天津帝诚联硕科技有限公司已读

材料在冲击载荷下的力学性能

3.1 概述

冲击试验是利用能量守恒原理，将具有一定形状和尺寸的带有V型或U型缺口的试样，在冲击载荷作用下冲断，以测定其吸收能量的一种试验方法。冲击试验对材料的缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料的宏观缺陷、显微组织的微小变化和材料质量。

材料抵抗冲击载荷的能力称为材料的冲击性能。冲击载荷是指以较高的速度施加到零件＠上的载荷，当零件在承受冲击载荷』时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多。

冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率不同。加载速率是指╱载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。用形变速率（又分为绝对形变速率和相对形变速率）间接反映加载速率的变化。

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︻。

3.2 概念

夏比冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性冲击∑，并测量试样折断时的吸收能量的试验。V形缺口由于应力集中较大，应力分布对缺口附近体积塑性变形的限制较〗大而使塑性变形更难进行。

不稳定裂纹扩展起始◥力：力-位移曲线急剧下降开始时的√力。

不稳定裂纹扩展终止力：力-位移曲线继续下降终止时的力。

冲击试样断口：冲击试样冲断口的断裂表面及临近表面的区域。其宏观外貌一般呈晶状，纤维状或混合状。

晶状断面：断裂表面一般呈现金属光泽的∮晶状颗粒，无明显塑性变形的齐平断面。

纤维状断面：断口中纤维区的总面积与缺口下方原始截面面积的百分比。

侧膨胀值：断裂试样缺口侧面每侧宽度▂较大增加量之和。

3.3 冲击载荷下材料变形断裂特点

冲击载荷下，机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。

冲击过程时间短，测量不准确，通常假定冲击能全部转化为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。

金属材料在冲击载∩荷作用下塑性变形难以充分进行。

静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；

冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性◥变形不均匀

这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈▓服强度、抗拉强度的提々高。

纯铁的╳应力-应变曲线

1—冲击载荷；2—静载荷

塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生正↘断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；

如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。

韧性材料冲击试样断口示意图

同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区；

若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区即：纤维区—放射区—纤维区—剪切唇；

裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂ζ纹扩展速度再次减小，形成纤维区。

3.4 冲击弯曲与冲击韧性

（1）冲击韧性

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变⌒形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功A_K来表示。

作用：揭示冶金缺陷的影响；对σ_s大致相同的材料，评定缺︻口敏感性；评定低温脆性倾向。

试样尺寸：10mm×10mm×55mm

试样分为缺口试样和无●缺口试样。缺口试样∑又分为夏比V型缺口冲击试样和夏比U型缺口冲击试样。无缺口试样适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）

冲击试样开缺口的目的：使缺口附近造成应力集中，保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。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，A_k值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸的试样的A_k值不能相互换算和直接比较。

（2）冲击弯曲

试验在摆锤式︽冲击试验机上进行。

试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1

释∏放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2，这就是试样变形和断裂所々消耗的功，称为冲击吸︽收功，以A_K表示，单位为J。

对采用U型缺口和V型缺口的试样，其冲击功分别用A_ku和A_kv来表示。试验前需对试验机进行校核。

在最新现行标准GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中规定：冲击吸收能量k代替冲击吸收功A_k。

JB-S300数显冲击试☆验机

(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~5.4m/s；最大冲击能量：300J/500J、500J/250J)

JB-300/500W微机控制冲击试验机

(冲击能量：300J、150J/500J、250J；摆锤预扬角：150°；冲击速度：5.2m/s~/5.4m/s；试样支◥座跨距：40mm)

3.5 冲击试验的应用

冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。冲击吸收能量K的大小对〓材料的组织十分敏感，能反映出材料品质、宏观缺陷︼和显微组织的微小变化。

冲击试验主要应用在以下两个方面：

（1）控制材料的冶金质量和热加工后的质量

通过测量K值和对样⌒品进行断口分析，可以：检验冶金缺陷——夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等缺陷；检验热加工后质量——铸造、锻造、焊接及热处理后过热、过烧、回火脆性、淬火和ζ锻造裂纹等缺陷；

（2）评定材料的冷脆倾向

根据系列冲击试√验（低温冲击试验）可得K与温度的关系曲线，测定材料的韧脆Ψ转变温度，可以评定材料的低温脆性倾向。

三种不同冷脆倾向的材料

3.6 低温脆性现象

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ω　金，特别是工程上常用的★中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t_k时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击※吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿∞晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。

Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果

Titanic号采用了含硫高的钢卐板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性』断口。

断裂强度和屈服强度随时间变化示意图

低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果；见右图，屈服点随着温度的下降而升高，但材料的断裂强度随着温度的变化很小；两线交点对应的温度就是t_k。

3.7 韧脆转变温度

常用根据能◤量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度t_k。

低温脆性金属材料的系列冲击结果

冲击功随温度的变化而变化，能量法有三↘种:(1)以低阶能开始上升的温度定义为t_k，记为NDT（Nil Ductility Temperature）称为无塑性或零塑性转变温度;(2)以高阶能对应的温度定义为t_k，记为FTP(Fracture Transition Plastic)，较为保守的方法;(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为t_k，记为FTE(Fracture Transition Elastic)。