金属材料系列冲击实验与低温脆性

金属材料系列冲击实验与低温脆性

陈国滔 材科095 40930366

一、 实验目的

1. 了解材料韧性的特点及冲击实验对材料韧性检测的效果；

2. 通过测定低碳钢、工业纯铁和T8钢在不同温度下的冲击吸收功，观察比较

金属韧脆转变特性；

3. 学习低碳合金钢韧脆转化温度的测定方法,通过结合夏比冲击实验归纳找

出降低金属韧性的致脆因素。

二、 实验原理

1.金属夏比冲击实验原理

夏比冲击实验是将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击实验机的试样支座上，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的冲击吸收功。试样的冲击吸收功在实验中用摆锤冲击前后的位能差测定如下所示：

A—摆锤起始位能; A1—摆锤打击试样后的位能。

如不考虑空气阻力及摩擦力等能量损失，则冲断试样的吸收功为：

F—摆锤的重力，N； L—摆长(摆轴至锤重心之间的距离)，mm；

α—冲击前摆锤扬起的最大角度，弧度； β—冲击后摆锤扬起的最大角度，弧度。

2.钢铁韧脆转变温度原理

脆性断裂是一种快速的断裂，断裂过程吸收能量很低，断裂前及伴随着断裂

过程都缺乏明显的塑性变形。而对于bcc结构的钢铁，在一个有限的温度范围内，受到冲击载荷作用发生断裂时吸收的能量会发生很大的变化。这种现象就是韧脆转变。

当足够高温时，钢铁一般是晶体结构，温度的上升会导致晶体键的断裂，而钢仍为较硬的固态，所以此时的钢铁变脆容易折断。

当足够低温时，脆性受临界解理应力和临界分切应力的影响，两者随着温度降低而升高，在某一温度两者相等，其对应温度就是Tc，这个温度就是韧脆转变温度。继续降温，屈服强度继续升高，大于断裂强度，所以低温下材料在没有塑性变形的条件下已经发生脆性断裂。材料的断裂强度受温度影响较小。

当温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，此时的温度为韧脆转变温度。

3. 韧脆转变温度确定原理

实验通过改变实验温度，进行一系列冲击实验以确定材料从人性过渡到脆性的温度范围，称为“系列冲击实验”。韧脆转变温度就是Ak-T曲线上Ak值显著降低的温度。曲线冲击功明显变化的中间部分称为转化区，脆性区和塑性区各占50%时的温度称为韧脆转变温度（DBTT）。当断口上结晶或解理状脆性区达到50%时，相应的温度称为断口形貌转化温度（FATT）。

脆性断裂百分数的测量：在显微镜下观察断裂试样的断裂面，脆性断裂部分一般是白亮的梯形，通过测量计算可得出梯形的面积，按下式计算出脆性断裂百分数：

脆性断裂百分数?%?脆性区面积端口横截面积?100%。

三、 实验器材

1、实验材料：低碳钢(Q235)、工业纯铁和T8钢。

2、实验器材：①冲击实验机（摆锤式冲击实验机主要由机架、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）；

②本实验中采用夏比试样，即截面为

的方棒，一面中间有深

为的型缺口试样。冲击试样开缺口的目的是使缺口附近造成应力集中，保

证在缺口处破断。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，

值越小，材料表现的脆性越大；

）；

③工具显微镜（型号

④控温及测温仪器：加热用电炉和保温瓶 温度计； ⑤介质：酒精，水，液氮； ⑥其他器材：镊子。

四、 实验设备参数

1.钢铁：低碳钢含碳量从0.10％至0.30%，工业纯铁含碳量在0.04%以下，T8属于碳素工具钢，含碳量＞0.7%

2.实验冲击机，最大打击能量分别为300J（±10J）和15OJ(±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。其他技术条件应符合GB 3808规定，并应定期按JJG 145检定。

3.测温仪器，高温冲击实验时，一般采用热电偶测温，低温冲击实验时，一般采用最小分度值不大于1℃的玻璃温度计。测温仪器(数字指示装置或电位差计)的误差应不超过±0.1%。热电偶参考端温度应保持恒定，偏差应不超过±0.5℃。

4.介质：在高温或低温冲击实验中，可使用各种方法加热或冷却试样，实验用介质应安全、无毒，不腐蚀金属。使用的介质如下所示：

实验温度(℃) 介质 >200 200一>35 <10一0 0一-70 -70一-150 空气加热 高温油 水+冰 乙醇+干冰 无水乙醇+液氮 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，并应有使介质温度均匀的装置。

对于高温或低温冲击实验，温度控制装置应能将实验温度稳定在规定值的±2℃ 之内。

五、 实验步骤

1、检查摆锤空打时被动指针的回零差。回零差不应超过最小分度值的四分之一；检查试样尺寸的量具最小分度值应不大于0.02mm；

2、确定样品各测量温度。并为Q235、纯铁、T8等不同温度下的试样进行标号；

3、调试温度，以达到试样规定的实验温度。高温样品用热水升温，低温样品用液氮和酒精降温，从而得到不同所需温度的样品；

4、读出保温瓶中温度计示数并记录下来，作为样品的冲击温度，然后独立进行冲击实验操作，得出冲击功并记录下来；试样从液体介质中移出至打击的时间应在2s之内，试样离开气体介质装置至打击的时间应在1s之内。如果不能满足上述要求，则必须在3-5s内打断试样，此时应采用过冷或过热试样的方法补偿温度损失。对于高温实验，应充分考虑过热对材料性能的影响。

5、在工具显微镜上观察冲击试样断口； 6、计算脆性断面率； 7、整理实验仪器及样品； 8、数据处理及分析。

六、 实验数据

以下表1和表2是小组1和小组2测量各种钢铁在不同温度下的冲击吸收功和脆性断面率。

表1 Q235 T8 Fe 温度/℃ Ak/J 断口解理面积% Ak/J 断口解理面积% Ak/J 断口解理面积%

水温85.5 ≥275 0 31.5 100% 室温18 141 41.65% 21 100% 0 120 62.60% -20 106 55.37% ≥282 0% -30 98.5 64.27% 15.5 97.26% -40 4 100% 4 100% 9 100% -60 6.5 100% 4 100% 12.5 100% 表2 温度/℃ Q235 T8 Fe

Ak/J 断口解理面积% Ak/J 断口解理面积% Ak/J 断口解理面积% 水温80 室温18 ≥282 0 35 100% 152 18.27% 24 100% 0 126 64.60% -20 108 81.84% 4.5 100% 14.5 100% -30 78 88.75% 264 未断 -40 21.5 100% 4.5 100% 41 100% -60 7.5 100% 2.5 100% 4.5 100% 七、 实验数据处理及分析

根据上述表中数据。绘制冲击功Ak- T曲线和断口脆性区面积百分数-温度T曲线，综合两个小组的数据，得到如下：

①Q235低碳钢：利用origin进行拟合，获得其韧脆转变温度曲线如下：

图1

拟合过程所得参数及由图像读出的韧脆转变温度列表如下：

A1 A2 Area ratio/% 100 0 Ak/J 441.8 10.5

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hxqv.html