金属材料冲击韧性实验

 一、实验目的

1.了解冲击试验机的结构及工作原理。

2.了解金属材料在常温下冲击韧性的测定方法。

二、实验原理

衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击实验来测定的。这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性(韧性或脆性)。虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度,不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标,还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段.这是因为它对材料的品质、宏观缺陷、显微组织十分敏感，而这点恰是静载实验所无法揭示的。

测定冲击韧度的试验方法有多种。国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。在室温下进行的实验一般采用GB/T229-2007标准《金属夏比摆锤冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“高温夏比冲击实验”。

由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。要想正确反映材料的冲击特性，必须使用冲击实验方法和设备标准化、规范化，为此我国制定了金属材料冲击实验的一系列国家标准（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。本次实验介绍“金属夏比冲击实验”（即GB/T229-2007）测定冲击韧度。

冲击试验利用的是能量守恒原理，即冲击试样消耗的能量是摆锤试验前后的势能差。试验时，把试样放在图1的B处，将摆锤举至高度为H的A处自由落下，冲断试样即可。

摆锤在A处所具有的势能为：

E=GH=GL(1-cosα)                  (1)

冲断试样后，摆锤在C处所具有的势能为：

E₁=Gh=GL(1-cosβ)。               (2)

势能之差E-E₁,即为冲断试样所消耗的冲击功A_K:

A_K=E-E₁=GL(cosβ-cosα)            (3)

式中，G为摆锤重力（N）；L为摆长（摆轴到摆锤重心的距离）（mm）；α为冲断试样前摆锤扬起的最大角度；β为冲断试样后摆锤扬起的最大角度。

图1 冲击试验原理图

 三、实验设备及材料

1. 冲击试验机（如图2）
2. 游标卡尺

图2 冲击试验机结构图

1. U型缺口冲击材料（45钢淬火和退火状态（860℃×30min））

若冲击试样的类型和尺寸不同，则得出的实验结果不能直接比较和换算。本次试验采用U型缺口冲击试样。其尺寸及偏差应根据GB/T229-2007规定，采用尺寸为10mm×10mm×55mm，并带有2mm深的U型缺口试样，见图3。加工缺口试样时，应严格控制其形状、尺寸精度以及表面粗糙度。试样缺口底部应光滑、没有与缺口轴线平行的明显划痕。

图3 冲击试样

 四、实验步骤及方法

1. 测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。
2. 根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。
3. 安装试样。如图4所示。