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