冲击韧性

材料力学性能实验报告
实验名称实验一缺口冲击韧性实验
实验目的 1.掌握常温及低温下金属冲击试验方法；
2.学会用能量法确定金属冷脆能变温度
t；
k
3.了解冲击试验机结构、工作原理及正确使用方法。

实验设备 1.游标卡尺；
2.20#钢退火态试样和40Cr调质态试样各三根；
3.JBW-300示波冲击试验机；
4.液氮，酒精；
5.温度计。

试样示意图
图1 冲击试验标准试样示意图
实验结果记录
20#退火态和40Cr调质态试样的冲击吸收总功记录见附录。

根据裂纹形成能量、裂纹扩展能量以及总冲击能量，以及冲击记录的示波图，得到，裂纹萌生功= 裂纹形成能量；
裂纹扩展功=裂纹扩展能量-裂纹形成能量；
裂纹撕裂功=总冲击能量-裂纹扩展能量。

20#退火态和40Cr调质态试样的裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹撕裂功分别见表1和表2：
表1 20#退火态各试样的裂纹萌生、扩展、撕裂功记录表
试样编号温度/℃裂纹萌生功/J 裂纹扩展功/J 裂纹撕裂功/J 1-1 20 45.8112 0.4700 1.3370
1-3 20 44.0039 2.2082 20.1731
4-4 20 30.6656 1.7666 15.382
0-2 0 38.8878 0.2872 1.0540
0-3 0 38.8078 0.2678 2.3971
5-3 0 37.4989 0.7339 2.4764
5-2 0 35.4670 0.3494 1.7666
1-4 -30 6.6485 0.3104 2.4001
1-6 -30 6.7921 0.3238 2.8115
表1 40Cr调质态各试样的裂纹萌生、扩展、撕裂功记录表
试样编号温度/℃裂纹萌生功/J 裂纹扩展功/J 裂纹撕裂功/J
1-2 20 50.2343 1.4006 18.3959
A-1 20 42.0885 2.1613 26.5258
B-3 0 41.405 1.4651 14.6755
D-3 0 33.6908 0.7463 25.8623
5-3 0 39.5793 1.1635 4.5920
5-2 -30 33.9825 1.2214 5.1819
2-2 -30 26.9017 2.6659 29.0364
3-2 -60 32.2844 1.4816 19.5754
2-2 -60 47.6899 0.3546 9.1777
6-3 -90 40.5959 2.3280 10.0549
实验数据处理
根据表1和表2，以及各试样在不同温度下的冲击吸收功，做各试样的冲击吸收总功、裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹撕裂功与温度的关系曲线，分别得到图2—9八幅图：
010
20
30
40
50
60
-100
-80
-60
-40
-20
2040
冲击总功/J
温度/℃
28.7
-11.5ETT 50
图2 20#退火态试样冲击总功与温度关系曲线
051015
20253035
404550-40
-30
-20
-10
10
20
30
裂纹萌生功/J
温度/℃
图3 20#退火态试样裂纹萌生功与温度关系曲线
图4 20#退火态试样裂纹扩展功与温度关系曲线
05
10
15
20
25
-40
-30
-20
-10
10
20
30
裂纹撕裂功/J
温度/℃
图5 20#退火态试样裂纹撕裂功与温度关系曲线
010
2030405060
7080
-100
-80
-60
-40-20
20
40
冲击总功/J
温度/℃
-33.0
56.7
EET 50
图6 40Cr 调质态试样冲击总功与温度关系曲线
图7 40Cr 调质态试样裂纹萌生功与温度关系曲线
图8 40Cr调质态试样裂纹扩展功与温度关系曲线图9 40Cr调质态试样裂纹撕裂功与温度关系曲线
冷脆转变温度
金属韧脆转变温度：有些金属在其使用温度降低时，其塑性、韧性便急剧降低，使材料脆化，冲击值降低，这一现象为冷脆。

由于温度降低造成金属由韧性状态转变为脆性状态的温度叫做韧脆转变温度。

能量准则法是以冲击吸收功降低到某一规定数值时所对应的温度作为韧脆转变温度。

本实验采用能量准则法测金属的韧脆转变温度，是对冲击吸收功—温度曲线上平台下平台区间规定百分数（η）所对应的温度定义为韧脆转化温度，记为ETTn ，例如，冲击吸收功上下平台区间50%所对应的温度记为ETT 50，对应的冲击能量记为（A KUmax +A KUmin ）/2。

所以，根据附录得到20#退火态试样和40Cr 调质态试样的韧脆转变温度为：
20#退火态试样
()KUmax KUmin A A /2(50.99 6.45)/228.7J +=+= 28.7J 对应的温度值为-11.5℃，见图2。

40Cr 调质态试样
()KUmax KUmin A A /2(72.2141.2)/256.7J +=+=
56.7J 对应的温度值为-33.0℃，见图6。

试样宏观断口示意图（韧断、脆断）
图10 冲击试样宏观断口示意图
可以看出，冲击试样断口存在三个区域。

裂纹源在缺口根部的中央并稍离缺口表面的位置，对塑性较好的材料，裂纹通常沿着两侧和深度的方向稳态扩展，中央部分较深，构成了脚跟形的纤维状区域，然后快速扩展形成放射区。

由于缺口一侧受张应力，不开口的一侧受压应力，所以放射区在从拉应力区扩展和压应力区时，裂纹停止扩展，继而出现二次纤维区。

断口除了缺口根部附近四周皆为剪切唇，和拉伸断口的边缘是一样的。

在温度降低或材料的冲击韧性很低时，二次纤维区和一次纤维区以及剪切唇都可以不出现。

实验思考题
1.缺口冲击韧性实验能评定哪些材料的低温脆性？哪些材料不能用此方法检验和评
定？这种试验方法本身在防止材料脆性断裂方面有什么局限性？
答：缺口冲击韧性实验能综合评定缺口、低温和高应变速率对材料脆化的影响。

塑性很好的材料以及表面十分光滑无裂纹的材料一般不能使用此方法。

局限性表现在材料的冲击韧性是定性的，无法用理论公式来确定，只能通过实验来获取，而且由于它对缺口、材料缺陷很敏感，故不能定量的研究。

2.20#退火态用夏比U型和夏比V型缺口两种缺口试样得到的冷脆转变温度是否相
同？为什么？由此讨论冷脆转变温度的意义个实际应用中应该注意的问题。

答：不同。

冲击材料存在缺口时，冲击动能在零件内的分布是不均匀的，而且冲击韧性对材料的缺口很敏感，故用夏比U型和夏比V型缺口两种缺口试样得到的冷脆转变温度是不同的。

金属材料的冲击性能和韧脆转变温度，对材料内部组织结构、宏观缺陷及试验条件均很敏感，因此影响冲击试验结果的因素很多，主要有以下几点：
（1）材料中化学成份，S、P会使冲击值降低，Ni的含量会提高；
（2）处理工艺：脆碳、过热、过烧都会降低冲击韧性;
（3）材料中的缺陷如夹杂、偏折、气泡、夹渣等均会降低冲击韧性；
（4）试样的形状和表面粗糙度；
（5）试样缺口中心不对称。