夏比冲击试验.docx

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夏比冲击试验

冲击试验

一、金属夏比冲击试验

金属材料在使用过程中除要求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性。

所谓韧性，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。

韧性可分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性，其中评价冲击韧性（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）的实验方法，按其服役工况有简直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（艾尔冲击试验）以及冲击拉伸试验。

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作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。

夏比冲击试验的主要用途如下：

（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。

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意个标准内，更加便于执行。

二、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，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：

Ak=A-A1

三、夏比冲击试样与试验设备

一）、冲击试样

标准的夏比缺口冲击试样根据其缺口的类型分为Ｖ型缺口试样、缺口深度分别为2mm和5mm的U型缺口试样。

选择试样类型的原则应根据试验材料的产品技术条件、材料的服役状态和力学特性，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。

当试验材料的厚度在10mm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。

缺口应开在试样的窄面上。

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着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。

此外，缺口底部表面质量也很重要，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，对于重要的试验或仲裁试验，缺口底部表面粗糙度参数Ra应不大于1.6μm。

为避免混淆，试验前应对试样进行适当的标记，但标记的位置应不影响试样的支承和定位，并且应尽量远离缺口。

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。

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。

二）冲击试验机

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150J（±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。

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150mm的混凝土地基或质量大于摆锤40倍的基础上。

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JJG145《摆锤式冲击试验机检定规程》进行检定。

三）、温度控制系统

高温冲击试验中，温度控制装置一般由加热炉、温度控制仪器及热敏元件3部分组成。

对于低温冲击试验，常用的有3中制冷和控温装置（方法）：

①使用液体冷却试样，通过低温液体使试样达到规定的低温；

常用的低温冲击试验用冷却介质

试验温度/℃冷却介质

＜10~0水+冰

0~-70乙醇+干冰

-70~-105无水乙醇+液氮

-105~-140无水乙醇+异戊烷

-105~-192液氮

②使用喷射冷源的气体冷却法，通过调节冷却气体的喷量来控制试样的低温温度；

③采用压缩机制冷的低温槽来控温。

以上所采用的温度控制装置应能保证能将试验温度稳定在规定值的±2℃之间。

同时，当使用液体介质加热或冷却试样时，恒温槽应有足够容量和介质，并应对介质进行搅拌，以避免介质温度的不均匀性。

四）、温度测量系统

高温冲击试验时，一般采用热电偶进行测温，根据试验温度，选择不同的热电偶。

对于很高温度的试验，可选用Ⅱ级铂铑-铂热电偶测量温度，其示值允许误差在0~600℃时为±1.5℃，600~1600℃时为±0.25%；对于一般高温冲击试验，可选用Ⅱ级镍铬-镍硅热电偶，其示值允许误差在400℃以下为±3℃，400℃以上为±0.75%；对于300℃以下的温度，可选用Ⅱ级铜-康铜热电偶，其允许误差约为±1%；对于低温冲击试验，一般选用最小分度值不大于1℃玻璃温度计测温。

当使用热电偶测温时，其参考端温度应保持恒定，偏差应不超过±0.5℃，同时测温仪器（数字指示装置或电位差计）的误差应不超过±0.1%.

四、常温冲击试验

一、试验前准备工作

（一）注意试验温度

进行冲击试验的实验室温度一般应在10~35℃（即通常所称的室温）范围内，对于要求严格的试验，如韧性对温度变化很敏感的材料进行冲击试验时，试验应在20℃±2℃进行。

（二）检查试样尺寸

用最小分度值不大于0.02mm的量具测量试样的宽度、厚度、缺口处厚度；用光学投影仪检查缺口尺寸，看其是否符合标准的要求。

（三）选择冲击试验机

根据所试验材料牌号和热处理工艺，估计试样冲击吸收功的大小，选择合适的冲击试验机，使试样折断的冲击吸收功在所用试验机摆锤最大能量的10%~90%范围内。

（四）进行空打试验

将摆锤扬起至预扬角位置，把从动指针拨到最大冲击能量位置（如果使用的是数字显示装置，则应清零），释放摆锤，读取零点附近的被动指针的示值（即会零差），会零差不应超过最小分度值的1/4（以最大量程300J为例，最小分度值为2J，1/4分度值为0.5J，其回零差应不超过0.5J）。

二、试验操作要点

（一）将试样紧贴支座放置，并使试样缺口的背面朝向摆锤刀刃。

试样缺口用专用的对中夹钳或定位规收中，使缺口对称面位于两支座对称面上，其偏差不应大于0.5mm。

（二）操作过程

将摆锤扬起至预扬角位置并锁住，把从动指针拨到最大冲击能量位置（如果使用的是数字显示装置，则清零），放好试样，确认摆锤摆动危险区无人后，释放摆锤使其下落打断试样，并任其向前继续摆动，直到达到最高点并向回摆动至最低点时，使用制动闸将摆锤刹住，使其停止在垂直稳定位置，读取被动指针在示值度盘上所指的数值（数字显示装置的显示值），此值即为冲击吸收功。

（三）试样数量

由于冲击试验结果比较离散，一般对每一种材料试验的试样数量不少于3个。

三、冲击试验结果处理及试验报告

冲击吸收功应至少保留2位有效数字，即冲击吸收功在100J及以上时，应是3位数字，如120J；冲击吸收功在10~＜100J时，应为2位数字，如75J；冲击吸收功在10J以下时，应保留小数点后1位数字，一般修约到0.5J，如7.5J，修约方法按GB8170执行。

这样报告的试验结果基本上能与试验测量系统的不确定度相适应，如果过多保留有效位数则夸大了试验的测量精确度，有效位数不够则增大了误差。

（二）冲击吸收功的表示方法

为了表示不同类型冲击试样的试验结果，3种类型试样的冲击吸收功用如下符号表示，以示区别：

V型缺口试样的冲击吸收功，表示为Akv；

深度2mmU型缺口试样的冲击吸收功表示为Aku2；

深度5mmU型缺口试样的冲击吸收功表示为Aku5。

除以上3种非标准冲击试样，当报告冲击吸收功时，应将试样的缺口形状、尺寸在报告中详细竹注明。

（三）试验中几种情况的处理

（1）由于试验机打击能量不足使试样未完全折断时，应在试验数据之前加大于符号“＞”，其他情况则应注明“未折断”、

（2）试验后试样断口有肉眼可见裂纹或缺陷时，应在试验报告中注明。

（3）试验中如出现误操作，或试样打断时有卡锤现象时，此时得到的结果已不准确，因此试验结果无效，应重新补做试验。

（四）试验结果对比

由于冲击试样尺寸及缺口形状对冲击吸收功影响非常大，所以不同类型和尺寸试样的试验结果不能直接对比，也不能换算。

（五）试验报告

冲击试验报告应包括如下内容：

（1）所采用的试验方法标准号；

（2）试验材料种类及标志

（3）试样尺寸及类型

（4）试验温度

（5）试验机打击能量

（6）冲击吸收功

（7）韧脆转变温度（必要时）

（8）试验日期

五、影响冲击性能测定的主要因素

由于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都很敏感，因此，影响冲击试验结果的因素很多，其中主要的影响因素有以下几种。

一、与材料有关的因素

样品本身的化学成分、金相组织、晶粒度及是否含有夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等冶金缺陷或过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷都对试样的冲击性能产生影响，这正是冲击试验得到广泛使用的原因所在，从而也使冲击试验结果的离散性较大。

试验人员可以通过对这些材料性能的了解，分析和解释试验数据，判断试验结果的准确性。

二、与样品取样和制备有关的因素

（一）样品的取样方向

工程上使用的金属材料，大多是轧制而成的，由于轧制时产生纤维组织对冲击值有较大影响，因此，沿轧制方向取样，垂直于轧制方向开缺口，冲击值较高；垂直于轧制方向取样，顺着轧制方向开缺口，冲击值较低。

因此，冲击样品的取样方向应按照产品标准和有关协议的要求进行。

（二）缺口的加工质量

冲击试样的缺口深度、缺口根部曲率半径及缺口角度决定着缺口附近的应力集中程度，从而影响该试样的缺口冲击性能。

缺口深度对冲击性能的影响:

缺口深度/mm高能量试样/J中能量试样/J低能量试样/J

2.0±0.025103±5.260.3±3.016.9±1.4

2.1397.956.015.5

2.04101.857.216.8

1.97104.161.417.2

1.88107.962.417.4

缺口根部半径对冲击性能的影响:

深度/mm高能量试样/J中能量试样/J低能量试样/J

0.25±0.025103±5.260.3±3.016.9±1.4

0.1398.056.514.6

0.38108.564.321.4

冲击试验标准对试样缺口的尺寸及位形公差做了严格的规定，在加工中必须注意保证这几个尺寸参数。

此外，缺口根部的表面质量对冲击试验结果也有一定的影响，缺口根部表面的加工硬化、尖锐的加工痕迹特别是与缺口轴线平行的加工痕迹和划痕会明显使试样的冲击性能下降。

（三）试样的尺寸

增加试样的宽度或厚度会使金属在冲击中塑性变形体积的增加，从而导致试验冲击吸收功的增加。

但是，尺寸的任何增大，特别是宽度的增加，会使约束程度增加，导致脆性断裂，降低冲击吸收功。

一、与试验机有关的因素

（一）试验机的精度

冲击试验机能量指示装置的相对误差尤其是能量指示装置的回零差对冲击试验结果有直接影响。

（二）摆锤与机架的配合

摆锤与机架的相对位置的正确性及稳定性，尤其是冲击刀刃与支座跨距中心的重合性及摆锤刀刃与试样纵向轴线的垂直度对于获得准确试验结果有很大的影响。

当冲击刀刃偏离支座跨距中心时，冲击刀刃不能打击在冲击试样缺口中心线上，这将使吸收功增加。

二、与试验过程有关的因素

（一）试验温度

对于大多数材料，冲击吸收功随温度而变化，因此，温度控制的精度、保温时间以及高温、低温冲击试验时试样从保温介质中移出至打断的时间间隔都可能影响试验结果。

（二）冲击试样的定位

试样安放的位置，如果使试样缺口轴线偏离支座跨距中心，则最大冲击力没有作用在缺口根部截面最小处，将会造成冲击吸收功偏高。

一般来说，只有当试样缺口轴线与支座跨距中心偏离超过0.5mm时，对试验结果才有明显影响。

六、夏比冲击试验步骤

1.制样。

冲击样坯的切取应按产品标准或GB2975的规定执行，试样的制备应避免由于加工硬化或过热而影响金属的冲击性能，标准夏比冲击试样尺寸长55±0.6，横截面积10±0.05×10±01。

2.试机。

首先接通电源开关，指示灯影亮，然后把手动控制盒上的开关拨至“开”处，按“取摆”按钮，摆锤应逆时针转动，上升至定位位置后电机会停转，需要冲击时，现按“退销”，再按“冲击”，摆锤开始运动“冲击－自动扬摆－挂摆”。

3.检查空击指针回零和能量损失。

在摆锤处于挂摆状态时，把指针拨至最大能力值，在不放试样的情况下按“冲击”，看指针能否转至零刻线处，回零差不应超过最小分度值的四分之一。

检查能力损失，不放试样的情况下作冲击试验，当第一次摆锤摆到最高时，用手迅速将指针拨回到标度盘的最左边位置，待摆锤第二次将指针推到标度盘的右边后，即可记下指针指示的数值，两次之差除以2，即为摆动过程中消耗于摩擦阻力的能量。

对于300J的摆锤，能量损失不应大于1.5J，150J摆锤，能量损失不应大于0.75J。

4.放置试样。

缺口背面对向摆锤刀刃，缺口与摆锤刀刃直线放置。

5.试验。

按照“取摆－退销－冲击－自动挂摆”进行试验，重复3次，读数并做好记录，冲击试验完后可直接从标度盘上读出消耗于冲击试样的功的数值，不必另行计算。

6.关机。

试验完后长按“放摆”，摆锤缓慢回落至铅垂状态后松开，然后将手动控制杆拨至“关”处，最后断开机身上的电源空气开关。

七、其他

试样开缺口的目的是为了使试样在承受冲击时在缺口附近造成应力集

中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在缺口处。

αK值对缺口的形状和尺寸十分敏感，缺口愈深、愈尖锐，αK值愈低，材料的脆化倾向愈严重。

因此，同种材料用不同缺口试样测定的αK值。

对于不同尺寸和缺口的试样，所得结果不能互相换算和比较。

冲击韧性指材料在受到外加冲击负荷的作用下，断裂时消耗的功除以试样缺口断面面积而得到的商值，即在规定温度下，试样抵抗冲击载荷时所吸收的能量。

单位为焦耳。

冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速塑性变形的能力。

冲击韧性高的材料，一般都有较高的塑性。

但塑性指标高的材料不一定都有高的冲击韧性。

这是因为在静负荷下，能够缓慢塑性变形的材料在冲击负荷下不一定能迅速发生塑性变形。

冲击韧性是强度与塑性的综合指标，是强度和塑性两者的函数，但塑性对韧性的影响更大些。

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冲击试样中的缺口形式主要有两种，即夏比V形缺口和夏比U形缺口试样，所测得的冲击吸收功分别用Akv和Aku表示。

冲击试样的取样方式也有两种，即横向取样和纵向取样（与钢板轧制方向垂直为横向，平行为纵向）。

冲击试样的规格尺寸有三种，即标准试样为55×10×10，小试样为55×10×7.5或55×10×5，冲击试样的规格尺寸主要根据材料厚度可能制得的最大尺寸规格确定。

目前我国国内用于容器设计制造的法规和标准均规定以夏比V形缺口、横向取样方式为主。

冲击试样的缺口形式对冲击韧性影响非常大，夏比V形缺口比夏比U形缺口更为尖锐，更能反应材料的缺口和内部缺陷对动态载荷的敏感性。

对于U形试样，进行冲击试验时，其冲击功大部分消耗于裂纹的形成，而对V形缺口试样，其冲击功大部分消耗于裂纹的扩展。

U形缺口测得的冲击韧性与V形缺口测得的冲击韧性之间不存在对应的换算关系。

冲击试样的取样方向规定为“横向取样”，主要考虑在钢锭浇注时，会形成偏析及含有杂质，在轧制钢板的过程中，这些不均匀部分和杂质会顺着金属延伸方向形成纤维状组织，从而使钢板平行于轧制方向的力学性能高于垂直方向的力学性能。

我国标准规定的冲击试样取样方向与美国ASME的规定是不一致的，美国ASME标准规定的冲击试样取样方向为“纵向取样”，故对在国内使用的国外进口材料用于国内的容器制造时，应注意冲击试样的取样方向应规定为“横向取样”。

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八、试题

1.αK值对缺口的形状和尺寸十分敏感，缺口愈深、愈尖锐，αK值愈（低高）材料的脆化倾向愈严重。

夏比形缺口比夏比形缺口更为尖锐。

2.对于不同尺寸和缺口的试样，所得结果（能不能）互相换算和比较。

3.冲击韧性指材料在受到外加冲击负荷的作用下，断裂时消耗的除以试样缺口断面而得到的商值，即在规定温度下，试样抵抗冲击载荷时所吸收的能量。

单位为

4.冲击韧性的高低，取决于材料有无迅速性变形的能力。

冲击韧性高的材料，一般都有较高的性。

5.塑性指标高的材料（一定不一定）都有高的冲击韧性。

6.冲击试样中的缺口形式主要有两种，即夏比形缺口和夏比形缺口试样，所测得的冲击吸收功分别用和表示。

7.冲击试样的取样方式有两种，即和；与轧制方向垂直为向，平行为向

8.冲击试样的规格尺寸有三种，即标准试样为mm，小试样为或mm，冲击试样的规格尺寸主要根据材料厚度可能制得的最大尺寸规格确定。

9.GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》规定:

冲击试样的取样方式为（横向取样纵向取样），冲击吸收功用（AkvAku）表示。

10放置试样时缺口应（背面正面）对向摆锤刀刃.

11冲击试验按温度可分为、和冲击试验。

12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。

注意：

缺口应开在试样的（宽窄）面上。

13焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当焊缝表面（垂直平行）。

14冲击机空打时，会零差不应超过最小分度值的1/4，以最大量程300J为例，最小分度值为J，其回零差应不超过J。

15冲击吸收功应至少保留2位有效数字，冲击吸收功在100J及以上时，应是

数字；冲击吸收功在10~＜100J时，应为位数字，冲击吸收功10J以下

时，应保留小数点后位数字，，

16沿轧制方向取样，垂直于轧制方向开缺口，冲击值较（高低）；垂直于轧制方向取样，顺着轧制方向开缺口，冲击值较（高低）。