第六章 金属夏比冲击试验

第六章金属夏比冲击试验

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。金属材料在使用过程中除要求足够强度和塑性外，还要求有足够的韧性。

一.韧性的定义：就是材料在弹性变形、塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性好的材料在服役条件下不至于突然发生脆性断裂，从而使安全得到保证。

二.韧性的分类：分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。

冲击韧性（即在冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力）的试验方法。

缺口

冲击载荷使塑性变形得不到充分发展，更灵敏地反映材料的变脆倾向。

降低温度（脆断趋势）

三.夏比冲击试验的优缺点：夏比冲击试验是由法国工程师夏比(Charpy)建立起来的，虽然试验中测定的冲击吸收功Ak值缺乏明确的物理意义，不能作为表征金属制件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据，但因其试样加工简便、试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验。

四.夏比冲击试验的主要用途：

1.评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。零部件截面的急剧变化从广义上都可视作缺口，缺口造成应力应变集中，使材料的应力状态变硬，承受冲击能量的能力变差。由于不同材料对缺口的敏感程度不同，用拉伸试验中测定的强度和塑性指标往往不能评定材料对缺口是否敏感，因此，设计选材或研制新材料时，往往提出冲击韧性指标。

2.检查和控制材料的冶金质量和热加工质量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示材料的夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造、焊接、热处理等热加工缺陷。

3.评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性用系列冲击试验可测定材料的韧脆转变温度，供选材时参考，使材料不在冷脆状态下工作，保证安全。而高温冲击试验是用来评定材料在某些温度范围如蓝脆、重结晶等条件下的韧性特性。

五.标准

按其服役工况有：

简支梁下的冲击弯曲试验（夏比冲击试验）

悬臂梁下的冲击弯曲试验（艾氏冲击试验） GB/T4158－1984

冲击拉伸试验

冲击扭转试验

夏比冲击试验按试验温度可分为高温、低温和常温冲击试验，按试样的缺口类型可分为V 型和U 型两种冲击试验。现行国家标准GB/T229－1994《金属夏比缺口冲击试验方法》将以上所涉及的试验方法统一合并在一个标准内，更加便于执行。

第一节 冲击试验原理

夏比冲击试验是将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击试验机的试样支座上，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，如图6-1所示，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所吸收的功。

试样的冲击吸收功在试验中用摆锤冲击前后的位

能差测定:

A k = A －A 1 (6-1)

()αcos 11-==FL FH A (6-2)

()βcos 121-==FL FH A (6-2)

式中 A ——摆锤起始位能，J ；

A 1——摆锤打击试样后的位能，J 。

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

()αβCOS COS L F A K -⨯= (6-4)

式中 F ——摆锤的重力，N ；

L ——摆长(摆轴至锤重心之间的距离)，mm ；

α——冲击前摆锤扬起的最大角度，弧度；

β——冲击后摆锤扬起的最大角度，弧度。

第二节夏比冲击试样与试验设备

一、冲击试样

标准夏比缺口冲击试样的结构示意图见图6-2～图6-4。

1.冲击弯曲试验试样的种类：

夏比v型缺口冲击试样

缺口试样（我国以前称夏氏试样）

夏比u型缺口冲击试样，缺口深度分别为2和5mm两种

（我国以前称梅氏试样）

无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）

2.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

值越小，材料表现的脆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

性越大。

值不能相

所以，不同类型和尺寸试样的A

k

互换算和直接比较。

3.试样类型的选择原则：

①一般情况下，尖锐缺口和深缺口试样适用于韧性较好的材料。

②当试验材料的厚度在lOmm以下而无法制备标准试样时，可采用宽度7.5mm或5mm 等小尺寸试样。小尺寸试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同。缺口应开在试

③缺口几何参数的影响：a由于冲击试样的缺口深度、缺口根部曲率半径及缺口角度决定缺口附近的应力集中程度从而影响该试样的冲击吸收功，试验前应检查这几个尺寸参数。b 缺口底部表面质量缺口底部应光滑，不应出现与缺口轴线平行的加工痕迹和划痕缺口底部表面粗糙度参数Ra应不大于1.6μm。

④试验前应对试样进行适当的标记，以避免混淆，但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。

⑤焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面，如图6-5所示。试样的缺口按试验要

求可分别开在焊缝、熔合线或热影响区，其中

开在热影响区的缺口轴线与熔合线的距离按产

品技术条件规定，如图6-6所示。

二、冲击试验机

1.组成和型号摆锤式冲击试验机主要

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。目前国产的摆锤式冲击试验机型号很多，如:JB-30A、JB-30B、JBG-30、JBD-30、JBD-30A等，各种试验机的基本技术参数是相同的，结构形式及操作方法也基本一致，例如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5.0～5.5m/s之间，这些均符合GB/T229-1994标准的要求，它们的主要区别在送样方式(手动或自动)和指示装置(表盘或数显)上。

2.安装要求为避免其刚度下降而影响试验结果，冲击试验机应稳定牢固地安装在厚度大于 15Omm的混凝土地基或质量大于摆锤40倍的基础上，同时试验机的试样支座及摆锤刀刃尺寸应符合图6-7的规定。

3.选用及日常检查对于新出厂的摆锤式冲击试验机，应按照GB3808《摆锤式冲击试验机》进行验收检查，对于日常使用的试验机，应定期按JJGl45《摆锤式冲击试验机检定规程》进行检定。

使用冲击试验机时，不能用大能量的试验机去打击吸收功很小的样品。以免造成较大