实验二 金属材料系列冲击试验与低温脆性

金属材料系列冲击试验与低温脆性

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一、试验内容与目的:

试验测定3种不同金属材料的冲击吸收功随温度变化，比较分析低温脆性特点

二实验原理：

本次试验采用国标编号为GB/T 229-1994。

用规定高度的摆锤对一系列处于不同温度的简支梁状态的缺口试样进行一次性打击，测量各试样折断时的冲击吸收功。冲击吸收功的测量原理为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，试样吸收的功称为冲击功（A k ）。

所谓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。包括铁素体钢在内的中、低强度体心立方金属以及合金，密排六方的锌、铍及其合金的冲击功A k 值随温度的下降而有显著降低的过程，也就是说，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。这种现象称为材料的韧脆转变。

改变试验温度，进行一系列冲击试验以确定材料从人性过渡到脆性的温度范围，称为“系列冲击试验”。韧脆转变温度就是A k -T 曲线上A k 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：

%100%

η=

?脆性区面积

脆性断裂百分数端口横截面积

三、实验要求：

(1)阅读相关的国家标准(GB229)，做好试验预习工作。

(2)按照国标文件中的试验报告内容要求编写试验报告。

(3)试验报告中，另外要包含下面两项内容的分析讨论：

第一，关于金属冷脆性的材料方面影响因素；

第二，冲击试验中致脆的因素。

特别注意：

第一，试验中将安全事项放在首位：一定要在保证安全的前提下，仔细观察试验；

第二，试验报告中，每个同学都要将本班所有试验数据收集齐全来进行数据处理(确定韧脆转变温度)。

四、实验试样：

本次试验采用的国家标准为GB/T229-1994金属夏比缺口冲击试验方法，试样为U型试样，试样的长度为55mm,横截面为10mm*10mm的方形截面。试样的具体尺寸及公差如下图所示：

试样的制备应避免由于加工硬化或过热而影响金属的冲击性能；试样缺口底部应光滑，对于仲裁试验，缺口底部表面粗糙参数Ra应不大于1.6um；试样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。

五、实验仪器与设备：

1、冲击试验机

冲击试验机的标准打击能量为300J(±10J)，打击瞬间摆锤的冲击速度应为

5.0~5.5m/s，试验机的试样支座及摆锤刀刃尺寸应符合下图：

冲击试验机一般在摆锤最大能量的10%~90%范围内使用；实验前应检查摆锤空打时被动指针的回零道，回零差不应超过最小分度值的四分之一。

2、工具显微镜

用来测量长度后计算断口脆性区面积。

3、加热用电炉和保温瓶

对于高温或低温冲击试验，保温瓶应能将试验温度稳定在规定值的±2℃之内。使用液体介质加热或冷却试样时，保温瓶应有足够容量和戒指，并应使介质温度均匀。

4、温度计

测温用的玻璃温度计最小分度值应不大于1℃。

5、介质

在高温或低温冲击试验中，可使用各种方法加热或冷却试样，试验用介质应安全无毒，不腐蚀金属。建议采用如下介质：

试样应在规定温度下保持足够时间，使用液体介质时，保温时间不少于5min；使用气体介质时保温时间不少于20min。移取样品时，夹具的温度介质温度尽量相同。试样从介质中移出至打击的时间应在5s内。本次试验采用的介质有热水、液氮和酒精。

6.镊子

六、实验步骤

1.检查冲击试验机是否工作正常。包括试验机各部分距离如图2所示，各部分

是否工作正常和紧固；摆锤空载运动时指针应指向零刻度。

2.确定样品各测量温度。

3. 对样品依需要进行降温或升温。高温样品用热水加热，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。在保温瓶中加入足够的热水/液氮（若温度过低可加入酒精升温），用镊子将三种不同材料的样品放入保温瓶中浸没，之后将镊子也放入保温瓶中。用温度计测量液体温度，待读数稳定读出示数，在降温处理时要看是否达到所需温度，若没达到，可再加入液氮/酒精来降温/升温（此时温度计要拿出）。达到所需温度后，盖上保温瓶盖子，将温度计、镊子和样品在保温瓶中保温5分钟。

4. 冲击试样。在将样品拿出前，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。之后冲击所有试样，得出冲击功并记录下来。注意当样品明显未冲断时，在冲击功前加上“>”。

5. 观察断口形貌。

6. 计算脆性断面率。将样品放在工具显微镜下，用工具显微镜测量所需的断面脆性区各长度，从而计算出脆性区面积。由上述公式计算出脆性断面率并记录下来。

7. 整理实验仪器及样品。

七、实验数据

八、数据处理

冲击功至少保留两位有效数字，确定韧脆转变温度时，应根据不同温度下的冲击试验结果，以冲击吸收功或脆性断面率为纵坐标，以试验温度为横坐标绘制曲线，如下图：

确定韧脆转变温度的方法包括：

a．冲击吸收功——温度曲线上平台与下平台区间规定百分数（一般50%）所对应的温度，用ETTn表示。

b. 脆性断面率——温度曲线中规定脆性断面率（一般50%）所对应温度，用FATTn表示。

实验中本人测量的试样是低碳钢，温度为—40℃。

处理过程：

1.断口形貌：

脆性区特征为无明显塑性变形，断口平整且形状改变不大，呈一颗颗晶粒状，颜色白亮。

塑性区特征为有明显塑性变形，断口不平整且形状改变大，颜色灰暗。

本人所测样品脆性区大，呈梯形。由各个所测样品断口形貌初步估计知T8钢的塑性最小，且随温度降低，各种样品的塑性减小。

2.计算脆性断面率：

由工具显微镜及测量出脆性区（梯形）的上底下、底及高为8.82mm、11.15mm、5.82mm，试样缺口处横截面积为8*10mm2，计算脆性区面积。从而得到脆性断面率为72.64%。

3.韧脆转变温度的确定（采用方法a）

①低碳钢

其韧脆转变行为曲线为

依据“温度曲线上平台与下平台区间50%所对应的温度为由冲击功曲线确定的韧脆转变温度（DBTT）”，由图1的冲击功曲线及Origin软件的波尔兹曼函数知低碳钢的DBTT为-4.57℃。依据“温度曲线中规定脆性断面率50%所对应温度为脆性断裂百分率曲线确定的韧脆转变温度（FATT）”，由图1的脆性断裂百分率曲线及Origin软件的波尔兹曼函数知低碳钢的FATT为-4.00℃。右上图得出的DBTT与FATT很接近，符合实际。

②T8钢

其韧脆转变行为曲线为

由图2知T8钢没有明显的韧脆转变现象，这是因为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。对于碳钢，仅当含碳量比较低时（中、低强度），在系列冲击试验的某一温度才显示出冲击功/脆性断裂百分率的突然下降/上升，随着含碳量的不断提高及碳钢强度的提高，韧脆转变温度区间越来越宽，碳钢的韧脆转变现象变得越发不明显，因而T8钢没有明显的韧脆转变现象。

③工业纯铁

其韧脆转变行为曲线为

依据“温度曲线上平台与下平台区间50%所对应的温度为由冲击功曲线确定的韧脆转变温度（DBTT）”，由图3的冲击功曲线及Origin软件的波尔兹曼函数知工业纯铁的DBTT为2.41℃。依据“温度曲线中规定脆性断面率50%所对应温度为脆性断裂百分率曲线确定的韧脆转变温度（FATT）”，由图3的脆性断裂百分率曲线及Origin软件的波尔兹曼函数知工业纯铁的FATT为-4.70℃。右上图得出的DBTT与FATT不是很接近，这是由于实验过程中很多试样未断，得出的冲击功偏小，因而得出的DBTT偏大。

九、实验分析及结论

1. 金属冷脆性的材料方面影响因素

在三种材料中，T8钢的碳含量最高，工业纯铁的碳含量最低，低碳钢介于两者之间，由所得数据知同温度下T8的断口解理面积最大，冲击功最小，韧脆转变温度最高；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；低碳钢的断口解理面积和冲击功介于两者之间，韧脆转变温度较低。由此可知T8钢的冷脆性最大，工业纯铁的冷脆性最小，低碳钢的冷脆性介于两者之间。

因而得出结论：材料中随着碳含量的增加，其韧脆转变温度增加，冷脆性增加。

2. 冲击试验中致脆的因素

由所得数据知，同种材料在不同温度下，其塑性不同。随着温度的降低，同种材料的冲击功下降，断口解理面积增大。

因而得出结论：随着温度的下降，同种材料的塑性下降，脆性上升。温度为冲击试验中致脆的因素。