6低温冲击实验

六、低温冲击实验

一、实验目的：

1. 了解材料的低温脆性，学会测定材料韧脆转变温度的原理和方法；

2. 掌握冲击韧性的实验方法，要求能正确地测试材料的冲击韧性；

3. 熟悉冲击试样的宏观断口特征。

二、实验仪器材料：

JB30GD 型冲击实验机、游标卡尺、低温箱、液氮罐、标准夏氏V 型缺口试样

三、实验原理：

(一)冷脆与冷脆转变温度T K

有一些金属材料如体心立方晶格的中、低强度结构钢，当其服役温度降低时，其塑性、韧性便急剧降低，使材料脆化，这种现象叫做冷脆。由于温度降低造成金属由韧性状态转变为脆性状态的温度叫做冷脆转变温度，用符T K 表示。不同金属的冷脆转变温度T K 是不同的，T K 愈低，表示脆化倾向愈小，即在低温下使用时危险性愈小。金属的冷脆现象对一些在寒冷地带服役的机械设备(工程机械、运输机械、桥梁、铁路、输油管道等)带来很大危害及影响。因此，对制造这些设备的金属材料，常常需要测定其冷脆转变温度T K 以确定其低温脆化倾向的大小。

（二）冷脆转变温度T K 的测定方法

金属冷脆转变温度T K 可通过低温系列温度冲击实验来测定。所谓低温系列冲击试验就是对同一种金属材料的冲击试样，在低于室温的一系列不同温度下作断口百分数

冲击吸收功温度t/°C

纤维区

晶状区

X100率

分百口断图1 冲击吸收功或断口形貌与温度的关系曲线

冲击试验。根据其冲击吸收功A K 随温度t 的变化关系，或试样冲断后断口形貌随温度t 的变化关系，来确定其冷脆转变温度。图l 为体心立方金属的A K —t 或断口率—温度关系曲线示意图。由图可见，这两种曲线一般都由三个部分组成。第一部分为冲击吸收功变化不大的高冲击吸收功部分(上平台)，这部分冲击断口形貌特点是灰暗色、纤维状属于韧性断口；第三部分是冲击吸收功变化不大的低冲击吸收功部分(下平台)，这一部分冲击断口形貌特点是结晶状，是典型的脆性断裂断口，曲线的中间部分(第二部分)冲击吸收功变化较大，断口形貌为不同比例的结晶状和纤维状的混合断口，所以在这个温度区间即为冷脆转变温度范围。

根据以上两种曲线，可以分别采用能量法或断口形貌法来确定金属材料的冷脆转变温度。

1、 能量法：

以冲击吸收功降低到某一个具体数值时的温度定位T K 。

对于夏比U 型缺口试样，取冲击能量为0.4A KUmax 所对应的温度为T K 或取12(A KUmax +A KUmin )所对应的温度为T K 。

A KUmax 是指室温下100%韧性断口所对应的

冲击吸收功，而A KUmin 是指刚刚出现100%

结晶状断口时所对应的冲击吸收功。

对于夏比V 型缺口试样，通常规定某

一个冲击吸收功所对应的温度T K 。这个冲

击吸收功是根据构件的使用条件来选取的。

2、 断口形貌法

指冲击断口形貌中纤维区所占面积下

降到50%时所对应的温度为T K ，记为

50%FATT 。这种方法主要适用V 型缺口试样。

3、 综合法

将A KU -t 关系曲线中的上平台开始上升的温度定义为t K 。因为这个温度相当于刚刚开始全部形成结晶状断口形貌时的温度，所以这种t K 也叫无塑性转变温度，常用符号NDT 表示。

四、实验步骤

1. 本实验温度可选择：20o C 、0 o C 、-10 o C 、-20 o C 、-30 o C 、-35 o C 、-40 o C 、-50 o C 八个温度，各温度下的冲击试样不得少于3个。

2. 试样的准备：领取试样，在端部打上编号。用棉纱擦净，再测量试样尺寸，最后检查试样缺口处的加工质量。

3. 了解冲击试验机的构造、工作原理、操作方法及安全注意事项

4.

冷却试样：根据试验温度要求在低温恒温箱内放入试样，进行保温。调节温纤维区晶状区剪切唇

图2 冲击断口形貌

度时，要注意选好过冷温度，以补偿试样取出到冲断时温度的回升。

5.进行冲击试验：把经过充分冷却的冲击试样从冷却装置中取出，迅速地放在试验机支座上，尽快冲断。

6.冲断试样后，立即刹车，并记录冲击功A K，然后把指针拨回。

7.仔细观察冲击断口，并描绘断口形貌草图。

五、实验结果的分析和处理

1.将每个温度下所测定的几个试样的AK值分别记录下来，不要取平均值；

2.根据试验数据在坐标纸上或计算机上绘制A K－t曲线，每个温度下测得的几

个A K值都要在图中分别标出，然后根据这些数据点的变化趋势描绘一条曲线，从中确定冷脆转变温度T k。

按下面两种方法确定：

3.本实验的T

k

夏比U型缺口试样：采用0.4A kumax对应的温度为T k, 此Akumax值为室温下全部为纤维状断口时的A ku值；夏比V型缺口试样：采用50％FATT对应的温度为T k。

六、对实验报告的要求

(1)画出冲击试样形状及尺寸，并注明材料牌号及其热处理状态；

(2)说明实验所用的设备和冷却介质;

(3)整理试验数据，作出相应A K－t曲线确定其T k值；

(4)结合断口形貌对比分析不同方法确定的T k值，何种方法更合理？