金屬系列沖擊試驗

1、金屬系列沖擊試驗一、試驗?zāi)康?、了解擺錘沖擊試驗的基本方法2、通過系列沖擊試驗測定低碳鋼、工業(yè)純鐵和T8鋼在不同溫度下的沖擊吸收功，測定低碳鋼韌脆轉(zhuǎn)化溫度，觀察比較金屬韌脆轉(zhuǎn)變特性。二、實驗原理韌性是材料在彈性變形、塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性好的材料在服役條件下不至于突然發(fā)生脆性斷裂，從而使安全得到保證沖擊吸收功的測量原理為沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分被試樣在受沖擊后發(fā)生斷裂的過程中所吸收。擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達到的最大高度之間的差值可以直接轉(zhuǎn)換成試樣在沖斷過程中所消耗的能量，試樣吸收的功稱為沖擊功（Ak）。用規(guī)定高度的擺錘對一系列處于不同溫度的簡支梁狀態(tài)的缺

2、口試樣進行一次性打擊，測量各試樣折斷時的沖擊吸收功。改變試驗溫度，進行一系列沖擊試驗以確定材料從人性過渡到脆性的溫度范圍，稱為“系列沖擊試驗”。韌脆轉(zhuǎn)變溫度就是Ak-T曲線上Ak值顯著降低的溫度。曲線沖擊功明顯變化的中間部分稱為轉(zhuǎn)化區(qū)，脆性區(qū)和塑性區(qū)各占50%時的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）。當斷口上結(jié)晶或解理狀脆性區(qū)達到50%時，相應(yīng)的溫度稱為斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度（FATT）。脆性斷裂：材料在低溫斷裂時會呈現(xiàn)脆性斷裂，脆性斷裂是一種快速的斷裂，斷裂過程吸收能量很低，斷裂前及伴隨著斷裂過程都缺乏明顯的塑性變形。韌脆轉(zhuǎn)變：材料在一個有限的溫度范圍內(nèi)，受到?jīng)_擊載荷作用發(fā)生斷裂時吸收的能量會發(fā)生很大

3、的變化。這種現(xiàn)象稱為材料的韌脆轉(zhuǎn)變。解理斷裂：當外加正應(yīng)力達到一定數(shù)值后，快速沿特定晶面產(chǎn)生的穿晶斷裂現(xiàn)象稱為解理；解理斷口的基本微觀特征是臺階、河流、蛇狀花樣等。全韌性斷口：斷口晶狀區(qū)面積百分比定為0%；全脆性斷口：斷口晶狀區(qū)面積 百分比定為100%；韌脆型斷口：斷口晶狀區(qū)面積百分比需用工具顯微鏡進行測量，在顯微鏡下觀察斷裂試樣的斷裂面，脆性斷裂部分一般呈明暗斑點無歸分布，通過測量計算可得出脆性斷裂梯形的面積。三、試驗材料、試樣試驗材料：低碳鋼、工業(yè)純鐵和T8鋼 試樣：本次試驗采用的國家標準為GB/T229-1994金屬夏比缺口沖擊試驗方法，試樣為U型試樣，試樣的長度為55mm,橫截面為10

4、mm*10mm的方形截面。試樣的具體尺寸及公差如圖一所示：圖（1）：金屬夏比缺口U型試樣尺寸及公差四、設(shè)備儀器與設(shè)備試驗測試內(nèi)容與相關(guān)的測量工具、儀器、設(shè)備本實驗需要測定試驗溫度、沖擊吸收功、截面脆性區(qū)的面積三個量試驗測量工具、儀器及設(shè)備：（1） JB-300B沖擊試驗機，性能指標：沖擊試驗機的標準打擊能量為（300±10J），打擊瞬間擺錘的沖擊速度應(yīng)為5.05.5m/s，試驗機的試樣支座及擺錘刀刃尺寸應(yīng)符合下圖：（2）其相關(guān)參數(shù)如表一所示最大沖擊能量：300J/150J擺錘預(yù)揚角：150°擺軸中心至打擊中心的距離：750mm、800mm沖擊速度：5.2m/s沖擊試驗機的標

5、準打擊能量為300J(±10J)，打擊瞬間擺錘的沖擊速度應(yīng)為5.05.5m/s，沖擊試驗機一般在擺錘最大能量的10%90%范圍內(nèi)使用；實驗前 應(yīng)檢查擺錘空打時被動指針的回零道，回零差不應(yīng)超過最小分度值的四分之一。（2）工具顯微鏡用來測量長度后計算斷口脆性區(qū)面積。（3）加熱用電爐和保溫瓶對于高溫或低溫沖擊試驗，保溫瓶應(yīng)能將試驗溫度穩(wěn)定在規(guī)定值的±2之內(nèi)。使用液體介質(zhì)加熱或冷卻試樣時，保溫瓶應(yīng)有足夠容量和介質(zhì)，并應(yīng)使介質(zhì)溫度均勻。（4）溫度計 測溫用的玻璃溫度計最小分度值應(yīng)不大于1。在高溫或低溫沖擊試驗中，可使用各種方法加熱或冷卻試樣，試驗用介質(zhì)應(yīng)安全無毒，不腐蝕金屬。試樣應(yīng)在

6、規(guī)定溫度下保持足夠時間，使用液體介質(zhì)時，保溫時間不少于5min。移取樣品時，夾具的溫度介質(zhì)溫度盡量相同。試樣從介質(zhì)中移出至打擊的時間應(yīng)在5s內(nèi)。（5）試驗介質(zhì)本次試驗采用的介質(zhì)有熱水、液氮。五、試驗步驟與程序（1）檢查沖擊試驗機是否工作正常。（2）對試樣分組并確定各個樣品的測量溫度。（3）對樣品根據(jù)需要進行降溫或升溫。高溫樣品用熱水加熱，低溫樣品用液氮和酒精降溫，從而得到不同所需溫度的樣品。在保溫瓶中加入足夠的熱水/液氮（若溫度過低可加入酒精升溫），用鑷子將三種不同材料的樣品放入保溫瓶中浸沒，之后將鑷子也放入保溫瓶中。用溫度計測量液體溫度，待讀數(shù)穩(wěn)定讀出示數(shù)。在降溫處理時要看是否達到所需溫度，

7、若沒達到，可再加入液氮/酒精來降溫/升溫（此時溫度計要拿出）。達到所需溫度后，蓋上保溫瓶蓋子，將溫度計、鑷子和樣品在保溫瓶中保溫5分鐘。（4）沖擊試樣。在將樣品拿出前，讀出保溫瓶中溫度計示數(shù)并記錄下來，作為樣品的沖擊溫度。之后沖擊所有試樣，得出沖擊功并記錄下來。注意當樣品明顯未沖斷時，在沖擊功前加上“>”。（5）觀察斷口形貌。（6）計算脆性斷面率。將樣品放在工具顯微鏡下，用工具顯微鏡測量所需的斷面脆性區(qū)各長度，從而計算出脆性區(qū)面積。由公式計算出脆性斷面率并記錄下來（7）觀察所有試樣的斷裂界面，整理實驗儀器及樣品。六、試驗結(jié)果與分析討論1、試驗數(shù)據(jù)記錄 表1 系列沖擊試驗第一大組數(shù)據(jù)第一組

8、實驗數(shù)據(jù)溫度/1980018304060低碳鋼Ak/J14816812411587904.0斷口解理面積/%22067526470100T8鋼Ak/J15357.06.04.0斷口解理面積/%100100100100100純鐵Ak/J278>3008/116/85.5斷口解理面積/%0094/94100/94100表2 系列沖擊試驗第二大組實驗數(shù)據(jù)第二組實驗數(shù)據(jù)溫度/攝氏度7920-120304060低碳鋼Ak/J232144140110.5684.54.5斷口解理面積/%024325775100100T8鋼Ak/J28542213.5斷口解理面積/%100100100100純鐵Ak/J

9、>128>300/62836.0斷口解理面積/%00/1000192、試驗數(shù)據(jù)處理方案確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，應(yīng)根據(jù)不同溫度下的沖擊試驗結(jié)果，以試驗溫度為橫坐標，以沖擊吸收功或脆性斷面率為縱坐標，繪制曲線。確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法包括：方法一根據(jù)沖擊吸收功：溫度曲線上平臺與下平臺區(qū)間規(guī)定百分數(shù)一般為50%所對應(yīng)的溫度，用DBTT表示。方法二. 根據(jù)脆性斷面率: 溫度曲線中規(guī)定脆性斷面率一般為50%所對應(yīng)溫度，用FATT表示。本次試驗中采用方法一確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度。3、試驗樣品斷口形貌的觀察 本次試樣我所用的樣品為低碳鋼，溫度為-20，沖擊功為110.5J。 觀察端口，可以看到除去樣品上已經(jīng)

10、有的U型缺口外，斷口有塑性區(qū)同時也有脆性區(qū)。塑性區(qū)的特征是有明顯塑性變形，斷口不平整，形狀改變大，顏色灰暗。該樣品也觀察到明顯的脆性區(qū)，俱有斷口平整，呈梯形，顏色白亮等特點。 4、計算脆性斷面率。將樣品放在工具顯微鏡下，用工具顯微鏡測量所需的斷面脆性區(qū)各長度，從而計算出脆性區(qū)面積。尺寸如下圖：由上圖得=45.38故脆性斷面率5、韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定（1）低碳鋼(Q235)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定利用Origin軟件根據(jù)波爾茲曼函數(shù)作圖得到低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為曲線，如圖二所示。 圖二：低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為曲線通過對AkT曲線擬合，以可讀出Ak最大值約為197J,最小值為0J，根據(jù)Boltzmann曲線

11、性質(zhì)，可取二者中間值作為韌脆轉(zhuǎn)變點 ，即Ak=99J時，T=-19.9，即利用沖擊吸收功所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為-19.9。通過 對S-T曲線擬合，對脆性斷面率取點S=50%時，T=-9.0，即利用脆性斷面率所得韌脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50=-9.0。（2）T8鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定利用Origin軟件根據(jù)波爾茲曼函數(shù)作圖得到低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為曲線，如圖三所示。圖三：T8鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為曲線由圖三可知T8鋼沒有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。試樣的斷面解理率都是100%。（3）純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定利用Origin軟件根據(jù)波爾茲曼函數(shù)作圖得到低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變行為曲線，如圖四所示。圖四：純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變

12、行為曲線通過對AkT曲線擬合，以可讀出Ak最大值約為289J,最小值為70J，根據(jù)Boltzmann曲線性質(zhì)，可取二者中間值作為韌脆轉(zhuǎn)變點 ，即Ak=180.5J時，T=-24.1，即利用沖擊吸收功所得韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50為T=-24.1。通過對S-T曲線擬合，對脆性斷面率取點S=50%時，T=-23，即利用脆性斷面率所得韌脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50=-23。七、實驗結(jié)果分析表3三種材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度 韌脆轉(zhuǎn)變溫度（）材料ETT50FATT50Q235鋼-19.9-9.0T8鋼純鐵-24.1-23由試驗結(jié)果可知，低碳鋼、T8鋼、純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變行為各不相同。低碳鋼和純鐵均出現(xiàn)了明顯的韌脆轉(zhuǎn)變行為，

13、而T8鋼卻沒有出現(xiàn)明顯的韌脆轉(zhuǎn)變行為，其原因是T8鋼是含碳量高的BCC碳鋼。對于碳鋼，僅當含碳量比較低時（中、低強度），在系列沖擊試驗的某一溫度才顯示出沖擊功和脆性斷裂百分率的突然下降或上升，隨著含碳量的不斷提高及碳鋼強度的提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間越來越寬，碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象也變得越來不明顯。 經(jīng)過對比可知，在相同溫度下T8的斷口解理面積最大，沖擊功最??；純鐵的斷口解理面積最小，沖擊功最大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度最低；低碳鋼的斷口解理面積和沖擊功介于兩者之間，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低。因此可得出結(jié)論T8鋼的冷脆性最大，純鐵的冷脆性最小，低碳鋼的冷脆性介于兩者之間。影響沖擊試驗致脆的因素影響沖擊試驗致脆的因素主要是溫度，隨著溫度的降低，同種材料的沖擊功下降，斷口解理面積增大，即塑