- 材料物理性能實驗教程
- 云南大學材料學科實驗教學教研室
- 2016字
- 2020-01-10 12:29:09
實驗二 金屬材料的沖擊實驗
一、實驗目的
1.了解沖擊韌性的含義。
2.掌握金屬材料的沖擊實驗方法。
3.了解擺錘式沖擊實驗機的構造原理和操作方法。
二、實驗原理
通過金屬材料的靜載荷實驗（拉力、強度、彎曲壓力、持久、蠕變等），可以得到許多有重要意義的力學性能指標，然而在工程結構中常見的機器設備卻多數是在動力載荷下工作的，如鑿巖機、起重機、鍛錘、軌鋼機等，沖擊載荷是指作用力在極短時間內有很大變化幅度的載荷。在實際應用中，受沖擊載荷作用的構件，特別是用高強度低塑性材料制造的零件，往往會發生無預兆的突然斷裂而造成重大事故，因此研究構件在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的現實意義。實踐證明，沖擊實驗對材料的缺陷很敏感，如金屬中的晶粒粗細、回火脆性、過熱、過燒、內部裂紋、白點、夾雜、纖維組織的各向異性等都會在沖擊實驗中暴露出來，因此它也是評定原材料的冶金質量和熱加工后的半成品質量的有效方法。另外，應力集中和實驗溫度對沖擊韌性的影響也較大，該實驗也被用于確定材料的冷脆傾向及冷脆轉變溫度。由于沖擊試樣加工簡便，實驗時間短，同時容易辨認出材料及金屬熱處理工藝選擇是否合理等，所以，沖擊實驗在生產實踐中得到了廣泛的采用。
沖擊實驗是一種動態力學試驗，其方法有一次擺錘沖擊實驗、落錘實驗和爆破實驗等，常用的是擺錘沖擊實驗，它是將一定形狀及尺寸的試樣放置在沖擊試驗機的固定支座上，然后將具有一定位能的擺錘釋放，使試樣在沖擊彎曲負荷的作用下彎曲斷裂。
沖擊實驗一般分為單沖擊與反復沖擊兩大類。單沖擊一次將材料沖斷，由材料斷裂時所吸收的能量來比較其韌性的大小。反復沖擊則是將一定重量的錘從一定高度落下而反復沖擊試樣，以破斷時的沖擊次數來比較材料的脆韌性。一般金屬材料的沖擊實驗采用單沖擊，反復沖擊適用于特種材料，其方法類似于疲勞實驗。
1.沖擊韌性的定義
用沖斷試樣所消耗的功AK，除以試樣缺口處的橫截面積A0所得的商稱為沖擊韌性（或沖擊值），用αK表示：
?。?-1）
式中，αK的單位為J/mm2。αK的值越大，表明材料的抗沖擊性能越好，它與材料的內部缺陷、晶粒大小、溫度變化、試樣的尺寸、缺口形狀和支承方式等因素有關。
2.沖擊試驗機的原理
圖2-1所示為沖擊實驗機原理圖，鋼制的擺錘懸掛在軸上，實驗時把擺錘放在如圖2-1所示的α角位置，于是擺錘具有一定的位能。
圖2-1 沖擊實驗機的原理圖
試驗時，令擺錘下落，沖斷試件。試件折斷所消耗的能量等于擺錘原來的位能（α角處）與其沖斷試件后在揚起位置（β角處）時的位能之差。如不計摩擦損失及空氣阻力等因素，那么擺錘對試件所做的功W可按下式計算
?。?-2）
（2-3）
式中，L為擺桿長度，H為擺錘的高度。
將式（2-3）代入式（2-2）得
?。?-4）
式中，α為沖擊前擺錘揚角；β為沖斷試件后擺錘升起角。
由于擺錘重量、擺桿長度和沖擊前擺錘揚角α均為常數，因而只要知道沖斷試件后擺錘升起角β，即可根據上式算出消耗于沖斷試件的功。本試驗機已經預先根據上述公式將相當于各升起角β的功的數值算出并直接輸入到儀器中，因此沖擊后可以直接讀出試件所吸收的功。
三、實驗設備和材料
1.實驗設備：ZBC-300B液晶全自動金屬擺錘沖擊試驗機。
2.實驗材料：鑄鐵。我國采用梅氏試樣為標準試樣（圖2-2），梅氏試樣有加工方法簡單的特點，但因缺口處半徑過大，可造成脆性轉化溫度降低，故國外都廣泛采用夏比（Charpy）V型缺口試樣，這不但能使脆性轉化溫度升高，而且作為向斷裂力學方法的過渡也具有重要意義。
圖2-2 標準試樣尺寸（單位：mm）
四、實驗內容與步驟
（一）操作步驟
1.開機，同時打開打印機電源開關，按下“聯機”鍵。
2.擺錘自由下垂，無任何動作執行的前提下，按“清零”鍵，之后“起擺”進行空擺沖擊，此時的吸收功為空擺的能量損失。
★注意：必須在擺錘處于垂直不動狀態下執行此動作，尤其不能在其它動作執行中按下“清零”鍵。此點尤其重要。
3.進行參數設置。
4.按“取擺”錘（擺錘應逆時針轉動）.
5.安裝試樣在支座上。
6.退銷：按“退銷”鍵，保險銷退銷。
7.沖擊試樣：按“沖擊”鍵，擺錘靠自重繞軸開始進行沖擊。
★注意：必須先執行“退銷”動作，沖擊指令才會生效。
8.放擺：按“放擺”鍵，保險銷自動退銷。當擺錘轉至接近垂直位置時，便自動停擺。
9.打印數據。
（二）注意事項
1.常溫沖擊試驗必須嚴格控制實驗室溫，一般要求在（20±5）℃的范圍內，因室溫的高低對試樣的韌脆狀態轉化有影響。如在室溫下有脆性轉化趨勢的材料，可能因為室溫過高而被掩飾了，故對室溫必須嚴格規定。
2.不同尺寸試樣所得αK值不可相互比較。
3.在擺錘擺動范圍內，不得有任何人員活動或放置障礙物，以保證安全。
五、實驗報告
1.簡述沖擊實驗的原理和應用。
2.整理試驗數據，記錄于表2-1，對實驗結果進行分析和討論。
表2-1 沖出實驗結果記錄
六、問題與討論
1.比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的αK值，繪出兩種試樣的斷口形貌，指出各自的特征。
2.如何通過沖擊實驗后的沖擊斷口來評定材料的斷裂性質和缺陷？
參考文獻
李國安.材料力學性能實驗指導.武漢：華中科技大學出版社，2002.