北科大-材料低碳钢冲击试验

金属系列冲击试验报告
一、试验目的
1.通过测定低碳钢、T10钢和奥氏体不锈钢材料在不同温度下的冲击吸收功,观察比较金属韧脆转变特性;
2.结合夏比冲击试验归纳总结降低金属韧性的致脆因素。二、试验要求
按照相关国标标准(GB/T229-2007金属夏比缺口冲击试验方法)要求完成试验测量工作。 三、试验原理
由于冲击过程是一个相当复杂的瞬态过程,精确测定和计算冲击过程中的冲击力和试样变形是困难的。为了避免研究冲击的复杂过程,研究冲击问题一般采用能量法。能量法只需考虑冲击过程的起始和终止两个状态的动能、位能(包括变形能),况且冲击摆锤与冲击试样两者的质量相差悬殊,冲断试样后所带走的动能可忽略不计,同时亦可忽略冲击过程中的热能变化和机械振动所耗损的能量,因此,可依据能量守恒原理,认为冲断试样所吸收的冲击功,即为冲击摆锤试验前后所处位置的位能之差。还由于冲击时试样材料变脆,材料的屈服极限σs 和强度极限σb 随冲击速度变化,因此工程上不用σs 和σb ,而用冲击功αk 衡量材料的抗冲能力。
图 1 冲击试验原理图
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,摆锤冲断试样后又升至高度为h 的C 处,其损失的位能)
(2h H G A ku −=通常称为冲击吸收功,式中G 为摆锤重力,单位
为牛顿(N );
2
ku A 为缺口深度为2mm 的U 形试样的冲击吸收功,单位为焦耳(J )。
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四、试样的制备及材料选择
冲击试样的类型和尺寸不同,得出的试验结果不能直接换算和相互比较,GB/T229-2007对各种类型和尺寸的冲击试样都作了明确的规定。本次试验采用金属材料夏比(U 型缺口)试样,其尺寸及公差要求如图2所示。
图2夏比U型缺口冲击试样图
(a)标准试样(b)深U型和钥匙孔型试样在试样上制作切口的目的是为了使试样承受冲击载荷时在切口附近造成应力集中,使塑性变形局限在切口附近不大的体积范围内,并保证试样一次冲断且使断裂发生在切口处。
试验表明,缺口的形状,试样的绝对尺寸和材料的性质等因素都会影响断口附近参与塑性变形的体积。因此,冲击试验必须在规定的标准下进行,同时缺口的加工也十分重要,应严格控制其形状、尺寸精度及表面粗糙度,试样缺口底部光滑,没有与缺口轴线平行的明显划痕。
试验材料:低碳钢、T10钢和奥氏体不锈钢。本次试样所用材料缺口均为U形缺口,缺口深度未2mm。
五、试验仪器及设备
1.冲击试验机JB-300B,主要性能指标如表1
表格1 冲击试验机主要性能指标
最大冲击能量300J
摆锤预扬角150°
摆轴中心至打击中心的距离750mm
冲击速度  5.2m/s
试样支座跨距40mm
试样支座段圆弧半径R 1-5mm
冲击刀圆弧半径R 2-2.5mm
冲击圆弧半径30°
冲击刀厚度16mm
2.杜瓦瓶(保温用),游标卡尺
3.温度计
测温用的玻璃温度计最小分度值不大于1℃;测温热电偶应符合II级热电偶要求;测温仪器(数字指示装置或电位差计)的误差不超过±0.1%。
4.包括热水、液氮在内的介质,国标规定,试样应在规定温度下保持足够时间,使用液体介质时,介质温度应在规定温度±1℃以内,保温时间不少于5min。
五、实验步骤
1.测量试样缺口处的横截面尺寸,其偏差应在规定的范围内;在每个试样背后用铅笔标号。
2.确定试样冲击温度,根据冲击温度对试样进行温度处理:
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3.①对于水温试样,在杜瓦瓶加入足够热水,将试样浸没杜瓦瓶中,保温时间不少于5min;
过热温度补偿在35~200℃时,过热温度补偿为1~5℃。
菏泽地震②对于低温试样,向杜瓦瓶中加入足够液氮,将试样浸没杜瓦瓶中,在降温时若试样不能
低于冲击测试温度,则再加入液氮,低于测试温度后保温不少于5min,试验温度在
-192~-100℃,过冷温度补偿值为3~4℃,试验温度在-100~-60℃,过冷温度补偿值为2~3℃,试验温度在-60~0℃,过冷温度补偿值为1~2℃;当试验不在室温进行时,试样从高温或低
温装置中移出至打断的时间应不大于5s。
4.正确安装试样:将摆锤稍离支座,试样紧贴支座安放,使试样缺口的背面朝向摆锤打击方向,试样缺口对称面偏离两砧座间的重点应不大于0.5mm。
5.试验前应检查摆锤空打时的回零差或空载能耗。试验前应检查砧座跨距,砧座跨距应保证在40±0.2 mm以内。
6.进行试验。将摆锤举起到高度为H处并锁住,然后释放摆锤,冲断试样后,待摆锤扬起到最大高度,再回落时,立即刹车,使摆锤停住;
7.记录表盘上所指示的冲击吸收功A KU,取回试样,观察试样断口的形貌特征。
8.测量并计算脆性断面率,用游标卡尺测量试样断面脆性区边长,计算脆性区面积,利用脆性区面积和原始截面积之比计算出脆性断面率并记录至表中。
六、试验数据
本班分为两组进行试验,冲击吸收功与脆性断面率试验数据见表2,表3。
表格2系列冲击试验数据-第一组
温度/℃79.7 16.0 -1 -20.1 -40.5 -61.3 -196 Q235 A K/J 214.5 139.5 90.0 40.5 7.0    5.5 ——断口解理面积% 0 19.1 67.4 84.6 100 100 ——T10 A K/J 9.5    4.5    4.0 ——  2.5 ————断口解理面积% 100 100 100 ——100 ————
A K/J ——287.0 ——————>300 207.0 奥氏体不锈钢
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断口解理面积% ——0 ——————0 0
表格3系列冲击试验数据-第二组
温度/℃81.5 17.0 -0.5 -20.5 -40.5 -60.5 -196
Q235 A K/J 174 134.5 93.0 54.5    5.0    5.0 ——断口解理面积% 0 40.0 55.4 80.2 88.7 100 ——T10 A K/J 13.5    5.0 ——  3.0 ——  4.0 ——断口解理面积% 100 100 ——100 ——100 ——
A K/J >300 ——>300 ————>300 218.0 奥氏体不锈钢
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注:奥氏体不锈钢和高温下的Q235未被冲断
七、数据处理
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根据GB/T 229-2007确定转变温度T t :
冲击吸收能量达到上平台某一百分数,例如50%脆性区和塑性区各站50%的温度成为韧脆转变温度(DBTT )。
剪切断面率达到某一百分数,例如50%,当端口上结晶或解理状脆性区达到50%时,相应的温度成为断口形貌转化温度(FATT )。
第一组数据,由表2中数据作图,得到不同钢的韧脆转变行为曲线 低碳钢
Temperature (℃)
A k  (J )
图 3 低碳钢韧脆转变行为曲线
冲击吸收功的拟合结果出现上下平台,上平台对应吸收功为175J ,下平台对应吸收功为0J ,对应冲击功为87.5J 时的温度即为韧脆转变温度(DBTT ),T t =5℃;
断面收缩率线性拟合,当脆性断面率为50%时,从图中可得端口形貌转化温度(FATT ), T t =5℃。
DBTT 与FATT 相同。 T10钢
Temperature (℃)
A k  (J )
图 4 T10钢韧脆转变行为曲线
从图4中可知,T10钢在-60~80℃区间的断面收缩率为100%,冲击功变化较小,没有明显的冲击功平台,观察断口形貌,均为解理断口,因此对于T10钢来说,并未发生韧脆转变,始终为脆性断裂。
不锈钢
T (℃)
A K  (J )
图 5 不锈钢韧脆转变行为曲线
从图5中可知,奥氏体不锈钢在-196~80℃区间脆性断面率为0,同时没有出现冲击功的上下吸收平台,并且根据实验结果,奥氏体不锈钢试样均为被冲断,断口附近出现明显变形,对于奥氏体不锈钢来说并未发生韧脆转变。
第二组数据处理:由表3中数据作图,得到不同钢的韧脆转变行为曲线 低碳钢
Temperature (℃)
A k  (J )
图 6低碳钢韧脆转变行为曲线
冲击吸收功的拟合结果出现上下平台,上平台对应吸收功为175J ,下平台对应吸收功为0J ,对应冲击功为87.5J 时的温度即为韧脆转变温度(DBTT ),T t =0℃;

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