金属材料冲击试验

实 验 报 告

课程名称： 材料性能研究技术 成绩： 实验名称： 弯曲冲击实验及韧脆转变温度测定 批阅人： 实验时间：2 实验地点： 实验室 报告完成时间：2 姓 名： 学号： 班级： 材

同组实验者： 指导教师：

一、实验目的

1.了解冲击韧性的含义及其表达方式。

2.掌握金属冲击试验机的操作方法。

3.分析温度对材料韧脆转变的影响，理解金属的低温脆性。

二、实验原理

1、冲击试验原理

冲击载荷是指载荷在与承载构件接触的瞬间内速度发生急剧变化的情况，即有一定的加载速率的载荷。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功能力，常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。冲击吸收功AK值越大，表明材料的抗冲击性能越好。本试验通过缺口试样的冲击弯曲试验来测量材料的冲击吸收功。

缺口试样的冲击弯曲试验的原理如图1所示，试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向上。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H0，使其获得一定位能mgH0。释放摆锤冲击试样，摆锤的剩余能量为mgH1，侧摆锤冲击试样失去的位能mgH0-mgH1，即为试样变性和断裂所消耗的功，就是冲击吸收功AK。

图1 摆锤式冲击试验机 图2 V形缺口试样

在冲击试验机上实际操作过程中，冲击前先将指针调零，冲击完成后指针自

动转向表盘上冲击吸收功AK所指的刻度处，单位为J，实验者只需按要求按放好试样，调零和读数即可，不需要测量H0和H1的大小。

2、冲击试验试样

冲击吸收功AK值与试样的尺寸、缺口形状和支撑方式有关。为了便于比较，国标给定了两种缺口的冲击弯曲标准试样，它们是U形缺口和V形缺口，本实验使用的是GB/T229-1994规定10×10标准夏氏V型缺口试样，其尺寸为：10mm10mm55mm,2mm深V形缺口12mm，（如图2）这里指出，用V型缺口试样测定的冲击吸收功用AKV表示，用U型缺口试样测定的冲击吸收功用AKU表示。

3、低温脆性

对于体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，特别是中低强度结构钢（F-P钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口形貌由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk为韧脆转变温度。

低温脆性是材料的屈服强度随温度的降低急剧增加的结果。如图3所示，随着温度的降低，材料的屈服点s升高，

但其解理断裂强度c却变化很小，于

是两条线相交于一点，交点对应的温

度即为tk。高于tk时，cs，材料

受载后先屈服再断裂；低于tk时，外

力先达到c，材料变现为脆性断裂。

图3 s和c随温度变化

三、实验设备及材料

1、实验设备：冲击试验机、保温瓶、热电偶测温计。

2、实验材料：20Cr(10mm10mm55mm,2mm深V形缺口）、液氮、无水乙醇。

四、实验内容

1、试样预处理

首先，取6个保温瓶，分别加入少量的无水乙醇（可没过试样即可）。然后取18个V形缺口试样，分别放入6个保温瓶内（每组3个）完全浸没在无水乙醇中。再在每一个保温瓶中，分别插入数字显示式热电偶。一切准备就绪后，开始向每一个保温瓶中倾倒液氮，通过控制加入液氮量的多少，把6组试样的温度分别控制在室温、0℃、-25℃、-35℃、-45℃和-65℃左右，最后保温15分钟，使每一个保温瓶内的温度稳定下来。

2、冲击试验

保温结束后，开始对每一组试样进行缺口冲击试验。在取试样前先记录试样所在保温瓶的温度，把冲击试验机调好是其处于待命状态。然后迅速用夹具取出试样，迅速准确地把试样置于试验机在载物台上，保证摆锤轴向与缺口中心线一致。最后，马上启动试验机使摆锤落下，冲击试样，记录表盘上所指示的冲击吸收功用AKV。

3、观察断口

所有试样冲击完成后，把6组试样收集在一起，观察其断裂形貌，分析其韧脆转变的倾向。

五、试验结果及分析

1、实验结果

对6组试样全部进行完冲击试验后，整理试样温度和冲击吸收功等数据，得到如表1所示的试验数据。

表1 试验数据

2、结果分析

根据表1中的数据，做出冲击吸收功AKV随试验温度的变化曲线，如图4所示：

分析图4，可以清晰地得出缺口试样在做冲击试验时，其冲击吸收功AKV随温度的降低下降明显，关系十分明确。冲击吸收功AKV减小，可以定性的反映出

材料的脆性有所增大，因此，可以得出随着温度的降低，材料脆性变大的结论。从而验证了材料的低温脆性。

3.断裂形貌分析

通过对六组试样的断裂形貌做宏观的观察对比，第一组试样（室温下）的断裂有明显的塑性变形，且没有完全断开；第六组试样（-69℃）完全断开，且断口平齐，表现为脆断；试样从按温度从高到低，其断裂塑性变形越来越不明显，断裂形貌越来越倾向于脆性断裂，这也从另一反面验证了材料会出现低温脆性的规律。

4、误差分析

本实验的误差主要来自于三个方面：

（1）由于操作不准确，摆锤轴向与试样缺口中心线不一致，导致位能没有 完全用于冲击试样；

（2）缺口的加工误差会对实验结果造成重要影响；

（3）试样本身材料的轧制方向不同，会在不同的方向呈现不同的力学性能， 对试验结果产生重要影响。

六、体会

实 验 报 告

课程名称： 材料性能研究技术 成绩： 实验名称： 弯曲冲击实验及韧脆转变温度测定 批阅人： 实验时间：2 实验地点： 实验室 报告完成时间：2 姓 名： 学号： 班级： 材

同组实验者： 指导教师：

一、实验目的

1.了解冲击韧性的含义及其表达方式。

2.掌握金属冲击试验机的操作方法。

3.分析温度对材料韧脆转变的影响，理解金属的低温脆性。

二、实验原理

1、冲击试验原理

冲击载荷是指载荷在与承载构件接触的瞬间内速度发生急剧变化的情况，即有一定的加载速率的载荷。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功能力，常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。冲击吸收功AK值越大，表明材料的抗冲击性能越好。本试验通过缺口试样的冲击弯曲试验来测量材料的冲击吸收功。

缺口试样的冲击弯曲试验的原理如图1所示，试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向上。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H0，使其获得一定位能mgH0。释放摆锤冲击试样，摆锤的剩余能量为mgH1，侧摆锤冲击试样失去的位能mgH0-mgH1，即为试样变性和断裂所消耗的功，就是冲击吸收功AK。

图1 摆锤式冲击试验机 图2 V形缺口试样

在冲击试验机上实际操作过程中，冲击前先将指针调零，冲击完成后指针自

动转向表盘上冲击吸收功AK所指的刻度处，单位为J，实验者只需按要求按放好试样，调零和读数即可，不需要测量H0和H1的大小。

2、冲击试验试样

冲击吸收功AK值与试样的尺寸、缺口形状和支撑方式有关。为了便于比较，国标给定了两种缺口的冲击弯曲标准试样，它们是U形缺口和V形缺口，本实验使用的是GB/T229-1994规定10×10标准夏氏V型缺口试样，其尺寸为：10mm10mm55mm,2mm深V形缺口12mm，（如图2）这里指出，用V型缺口试样测定的冲击吸收功用AKV表示，用U型缺口试样测定的冲击吸收功用AKU表示。

3、低温脆性

对于体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，特别是中低强度结构钢（F-P钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口形貌由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk为韧脆转变温度。

低温脆性是材料的屈服强度随温度的降低急剧增加的结果。如图3所示，随着温度的降低，材料的屈服点s升高，

但其解理断裂强度c却变化很小，于

是两条线相交于一点，交点对应的温

度即为tk。高于tk时，cs，材料

受载后先屈服再断裂；低于tk时，外

力先达到c，材料变现为脆性断裂。

图3 s和c随温度变化

三、实验设备及材料

1、实验设备：冲击试验机、保温瓶、热电偶测温计。

2、实验材料：20Cr(10mm10mm55mm,2mm深V形缺口）、液氮、无水乙醇。

四、实验内容

1、试样预处理

首先，取6个保温瓶，分别加入少量的无水乙醇（可没过试样即可）。然后取18个V形缺口试样，分别放入6个保温瓶内（每组3个）完全浸没在无水乙醇中。再在每一个保温瓶中，分别插入数字显示式热电偶。一切准备就绪后，开始向每一个保温瓶中倾倒液氮，通过控制加入液氮量的多少，把6组试样的温度分别控制在室温、0℃、-25℃、-35℃、-45℃和-65℃左右，最后保温15分钟，使每一个保温瓶内的温度稳定下来。

2、冲击试验

保温结束后，开始对每一组试样进行缺口冲击试验。在取试样前先记录试样所在保温瓶的温度，把冲击试验机调好是其处于待命状态。然后迅速用夹具取出试样，迅速准确地把试样置于试验机在载物台上，保证摆锤轴向与缺口中心线一致。最后，马上启动试验机使摆锤落下，冲击试样，记录表盘上所指示的冲击吸收功用AKV。

3、观察断口

所有试样冲击完成后，把6组试样收集在一起，观察其断裂形貌，分析其韧脆转变的倾向。

五、试验结果及分析

1、实验结果

对6组试样全部进行完冲击试验后，整理试样温度和冲击吸收功等数据，得到如表1所示的试验数据。

表1 试验数据

2、结果分析

根据表1中的数据，做出冲击吸收功AKV随试验温度的变化曲线，如图4所示：

分析图4，可以清晰地得出缺口试样在做冲击试验时，其冲击吸收功AKV随温度的降低下降明显，关系十分明确。冲击吸收功AKV减小，可以定性的反映出

材料的脆性有所增大，因此，可以得出随着温度的降低，材料脆性变大的结论。从而验证了材料的低温脆性。

3.断裂形貌分析

通过对六组试样的断裂形貌做宏观的观察对比，第一组试样（室温下）的断裂有明显的塑性变形，且没有完全断开；第六组试样（-69℃）完全断开，且断口平齐，表现为脆断；试样从按温度从高到低，其断裂塑性变形越来越不明显，断裂形貌越来越倾向于脆性断裂，这也从另一反面验证了材料会出现低温脆性的规律。

4、误差分析

本实验的误差主要来自于三个方面：

（1）由于操作不准确，摆锤轴向与试样缺口中心线不一致，导致位能没有 完全用于冲击试样；

（2）缺口的加工误差会对实验结果造成重要影响；

（3）试样本身材料的轧制方向不同，会在不同的方向呈现不同的力学性能， 对试验结果产生重要影响。

六、体会