1-1-冲击韧性测定实验指导书

实验一缺口试样冲击韧性实验

一、实验目的

1、了解冲击韧性的含义；

2、分别测定脆性材料和塑性材料的冲击韧性，比较其抗冲击性能的高低；

3、了解韧性断口与脆性断口的宏观形貌特征和区别。

二、实验概述

1、实验原理

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收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。缺口冲击韧性试验是综合运用了缺口、低温及高应变速率这三个因素对材料脆化的影响，在这三个因素中，缺口所造成的脆化是最主要的。

用实验方法测定材料的冲击韧性时，把材料做成标准试样后在冲击试验机上进行，并用打断试样的冲击吸收功来衡量。按照实验温度、受力方式和实验打击能量等来区分的话，实验类型繁多。在没有特殊要求的情况下通常采用常温、简支梁式、大能量一次性冲击实验。GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》试验标准规定了测定金属材料在夏比冲击试验中吸收能量的方法，包括V型缺口和U型缺口。

缺口冲击试验的原理如下图1所示。冲击试验机由机身、支座、摆锤、刻度盘、指针等几部分组成。将带有缺口的试样安放在试样座上，然后将具有一定重量G的摆锤升至一定的高度H0，然后将摆锤释放使其自由下落，摆锤下落至最低位置处将试样冲断，冲击后摆锤的高度由H0变为H1，势能变化为G（H0-H1），它等于冲断试样所消耗的功。摆锤将试样冲断时所作的功即为冲击吸收功，以A k表示，

A k=G（H0-H1）（1）

A k的单位为N·m（J）。

（a）摆锤冲击试验机的组成（b）支座、试样与摆锤的结构关系

图1 摆锤冲击试验示意图

摆锤冲击试验机的摆轴长度l和起始下落角α都设计成固定值，冲断试样后的扬起角为β，则式（5）可写为：

A k=Gl（cosβ- sinα）（2）

β随材料抗冲击能力的不同面变化，为了适应不同冲击能量的需要，试验机配备有不同重量的摆锤。

冲击试验过程中,由于有部分能量消耗在试验机的振动、空气阻力、轴承等零部件的摩擦，冲击吸收功的大小不能完全反映材料的韧脆程度，因为这部分的能量损失较小，一般可以忽略。但是这部分的功耗随初始能量的增大而增大，所以实验时需要选择合适的摆锤，比如值A k较小的脆性材料，应该选择能量较小的试验机。同时，对缺口形状和尺寸不同、有缺口和无缺口试样、非标准与标准试样，即使在同一试验机上测试时，其测试结果也不同，因此在查阅材料冲击韧性数据评定材料韧脆程度时，一定要注意该数据的实验条件。

虽然冲击韧性A k不能真正代表材料的韧脆程度，但由于它对材料的内部缺陷和组织结构非常敏感，而且冲击试验简单易行，所以实际应用非常广泛。大多数金属材料的冲击韧性A k对温度非常敏感，当温度下降时，这些材料会从韧性转变成脆性，即冷脆现象。所以常温冲击试验一般在10-35℃的室温下进行。对配备冷却系统的试验机也可进行低温冲击性能的测试，对非常温测试的结果需要注明试验温度。

2、冲击试验试样

冲击韧性的数值与试样的尺寸、缺口以及支承方式有关。为了方便比较，GBT229-2007 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对试验机的支座、试样尺寸和缺口都作了详细的规定。U型缺口试样如图2所示，V型缺口试样如图3所示。此外，对于材料不能制成如图标准的试样时，也可以采用宽度7.5mm或5mm的小尺寸试样，缺口开在试样的窄面上。由于试样缺口的深度、曲率半径和角度大小对根部应力集中的影响比较严重，缺口加工对其尺寸精度要求严格，并且要求根部光滑且无平行于轴线的划痕，通常缺口加工使用专用的拉床。

测试后冲击韧性数值根据试样不同标注方式不同，V型缺口试样的冲击韧性记为A k，U 型缺口试样加注缺口的深度，如A ku2表示缺口深度为2mm的U型试样冲击韧性。

图2 U型缺口试样

图3 V型缺口试样

三、实验内容

1、了解冲击试验机的基本原理、掌握试验机的基本操作方法。

2、测定缺口试样的冲击韧性，并对两种材料的测试结果进行比较。

四、实验所用材料、工艺规范及仪器设备

1、实验材料

低碳钢和铸铁冲击标准试样，酒精，药棉

2、工艺规范

把试样按设备操作规程装入试验机，按国标和试验机软件要求输入各项参数后进行实验操作。

3、仪器设备

摆锤冲击试验机（型号：PTM2152-C）。

五、实验组织及步骤

1、实验组织

每班分成若干批次，以每批次12人为宜。每批分6组，每组2人，每组选择一个低碳钢或铸铁标准试样做冲击实验。每批次同学共享三个低碳钢试样、三个铸铁试样的冲击韧性实验数据。

2、实验步骤

（1）熟悉试验机结构和试样准备；

（2）试验机准备：按设备说明书要求开试验机、空压机和控制电脑，打开试验机软件，按实验要求设定参数；

（3）实验：装上试样，联机后设定实验参数并冲击；

（4）实验结果分析：取出断裂后试样，读取实验数据；

（5）保留断口试样，观察断口用。

六、实验报告编写要求

每个学生完成标准格式实验报告1份。实验报告内容包括：

（1）实验目的、原理及其意义；

（2）实验过程：包括实验材料、试样规格、实验设备、实验参数、冲击过程中的现象等；

（3）实验数据处理：

（4）分析影响冲击韧性的影响因素，比较和解释低碳钢和铸铁在冲击载荷条件下的力学性能的特点；

（5）分析实验误差产生的原因，总结试验中存在的问题，提出改进建议。