金属材料与热处理 模块一 课题四冲击韧性及其测定
3金属材料的冲击韧性实验
实验3 金属材料的冲击韧性实验一、实验目的1、了解冲击韧性的含义。
2、测定低碳钢和铸铁的冲击韧性，比较两种材料的冲击性能和破坏断口的形貌。
二、实验概述衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。
冲击韧度是通过冲击实验来测定的。
这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性(韧性或脆性)。
虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标,还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段。
测定冲击韧度的试验方法有多种。
国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。
在室温下进行的实验一般采用GB/T229-1994标准《金属夏比冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“ 高温夏比冲击实验”。
由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。
1．实验原理冲击实验机由摆锤、机身、支座、度盘、指针等几部分组成（图3-1）。
实验时，将带有缺口的受弯试样安放于试验机的支座上，举起摆锤使它自由下落将试样冲断。
若摆锤的重量为G ，冲击中摆锤的质心高度由H 0变为H1,势能的变化为G (H0-H1),它等于冲断试样所消耗的功W ，亦即冲击中试样所吸收的功为)(10H H G W A k -==图1 冲击实验机及原理图Ak值可由指针指示的位置从度盘上读出。
因为试样缺口处的高度应力集中，Ak的绝大部分为缺口局部所吸收。
依据GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，夏比缺口冲击试验的原理是：用扬起一定高度的摆锤一次性打击处于简支梁状态的缺口试样，测定试样折断时所吸收的功。
冲击过程中所消耗的能量，除大部分为试样断裂所吸收外，还有一小部分消耗于机座振动等方面，只因这部分能量相对较小，一般可以省略。
冲击韧性试验报告
冲击韧性测定试验报告一、 实验目的1. 掌握冲击试验机的结构及工作原理2. 掌握测定试样冲击性能的方法二﹑实验内容测定低碳钢和铸铁两种材料的冲击韧度，观察破坏情况，并进行比较。
三﹑实验设备3. 冲击试验机4. 游标卡尺图1-1冲击试验机结构图四﹑试样的制备若冲击试样的类型和尺寸不同，则得出的实验结果不能直接比较和换算。
本次试验采用U 型缺口冲击试样。
其尺寸及偏差应根据GB/T229-1994规定，见图1-2。
加工缺口试样时，应严格控制其形状﹑尺寸精度以及表面粗糙度。
试样缺口底部应光滑﹑无与缺口轴线平行的明显划痕。
图1-2 冲击试样五﹑实验原理冲击试验利用的是能量守恒原理，即冲击试样消耗的能量是摆锤试验前后的势能差。
试验时，把试样放在图1－2的B 处，将摆锤举至高度为H 的A 处自由落下，冲断试样即可。
摆锤在A 处所具有的势能为：E=GH=GL(1-cos α) (1-1)冲断试样后，摆锤在C 处所具有的势能为：E 1=Gh=GL(1-cos β)。
(1-2)势能之差E-E 1,即为冲断试样所消耗的冲击功A K :A K =E-E 1=GL(cos β-cos α) (1-3)式中，G 为摆锤重力（N ）；L 为摆长（摆轴到摆锤重心的距离）（mm ）；α为冲断试样前摆锤扬起的最大角度；β为冲断试样后摆锤扬起的最大角度。
h L G H图1-3冲击试验原理图六﹑实验步骤1. 测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。
2. 根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。
3. 安装试样。
如图1－4所示。
图1-4冲击试验示意图4. 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。
5. 记录表盘上所示的冲击功A KU 值.取下试样，观察断口。
试验完毕，将试验机复原。
6. 冲击试验要特别注意人身的安全。
七﹑实验结果处理1.计算冲击韧性值αKU . αKU =0S A KU(J/cm 2) (1-4)式中,A KU为U型缺口试样的冲击吸收功(J); S0为试样缺口处断面面积(cm2)。
3 金属材料的冲击韧性实验
实验3 金属材料的冲击韧性实验一、实验目的1、了解冲击韧性的含义。
2、测定低碳钢和铸铁的冲击韧性，比较两种材料的冲击性能和破坏断口的形貌。
二、实验概述衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。
冲击韧度是通过冲击实验来测定的。
这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性(韧性或脆性)。
虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标,还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段。
测定冲击韧度的试验方法有多种。
国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。
在室温下进行的实验一般采用GB/T229-1994标准《金属夏比冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“ 高温夏比冲击实验”。
由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。
1．实验原理冲击实验机由摆锤、机身、支座、度盘、指针等几部分组成（图3-1）。
实验时，将带有缺口的受弯试样安放于试验机的支座上，举起摆锤使它自由下落将试样冲断。
若摆锤的重量为G ，冲击中摆锤的质心高度由H0变为H1,势能的变化为G(H0-H1),它等于冲断试样所消耗的功W ，亦即冲击中试样所吸收的功为)(10H H G W A k -==图1 冲击实验机及原理图A值可由指针指示的位置从度盘上读出。
因为试样缺口处的高度应力集k的绝大部分为缺口局部所吸收。
中，Ak依据GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，夏比缺口冲击试验的原理是：用扬起一定高度的摆锤一次性打击处于简支梁状态的缺口试样，测定试样折断时所吸收的功。
冲击过程中所消耗的能量，除大部分为试样断裂所吸收外，还有一小部分消耗于机座振动等方面，只因这部分能量相对较小，一般可以省略。
2．实验设备冲击试验机，如上图所示。
游标卡尺3．冲击试样冲击韧性的数值与试样的尺寸、缺口形状和支撑方式有关。
国家标准规定两种形式的试样：(1)U型缺口试样（梅氏试样），尺寸形状如图3-2所示；（2）V型缺口试样，尺寸形状如下图所示。
物理实验 金属缺口试样冲击韧性的测定
3、实验课的要求学生实验前必须提前对实验进行预习，并撰写预习报告。
预习实验时，学生应主动查阅与实验相关的理论课内容，理解实验目的和实验原理，并对实验过程有基本的了解。
预习报告包括：实验目的，实验原理，实验步骤和实验数据记录表格。
实验前，实验教师会检查学生的预习报告，对于没有完成预习报告的学生将不准进行实验。
实验过程中，要求学生独立完成，认真记录实验现象和实验数据，培养独立思考能力，解决问题的能力以及创新能力。
实验结束后，对实验结果进行整理和分析，加深对相关理论课程内容的理解，并撰写实验报告。
实验报告内容包括：实验数据和实验现象，实验结果的分析和讨论，实验结论，对实验的思考以及建议，最后要回答实验后的思考题。
实验三金属缺口试样冲击韧性的测定一、实验目的1.学习金属冲击值的测定方法。
2.学习使用冲击试验机。
3.观察试件的断口情况。
二、实验内容测定不同温度下冲击样品断口的结晶区域面积百分比，不同材料和缺口的冲击值。
三、设备及材料1.设备本实验采用济南天辰试验机有限公司制造的JB-300b摆锤式冲击试验机。
试验机如图2.5.1安装在底座的耗材，被扬起的摆锤砸断，表盘上可读出，耗材断裂所消耗的能量，即吸收功。
图3.1 JB-300b摆锤式冲击试验机2.材料实验材料为低碳钢，铸铁，将其制成夏比V型和U型缺口冲击试样。
四、实验原理冲击试验是研究材料在冲击载荷作用下所表现出的机械性能的一种实验。
金属的冲击韧度是一个重要的力学性能指标。
冲击载荷作用时间极短，测量载荷变化和构件变形很困难，但是破坏构件所消耗的能量很容易测量，消耗的能量除以面积称之为冲击韧度。
冲击试验的缺口试件有两种，分别是u型和v型。
试件的缺口是为了使试件在承受冲击时受力集中。
冲击韧度值对切口的尺寸和形状十分敏感，切口深尖锐，则韧度值低，因此同种材料的用不同切口测定的韧度值不能换算和比较。
图 3.2缺口深度为5mm的标准夏比U型缺口冲击试样夏比冲击试验是将具有规定形状和尺寸的试件安放在试验机上，然后将具有一定质量的摆锤举到固定高度，使之获得一定能量，落下摆锤冲断试件，这时，试验机表盘上即可读出冲击吸收的功。
四、冲击韧性
（前）
–mgh
试验方法
（后）
4.韧性评价指标 冲击韧性值a k 就是试样缺口处 单位截面积上所消耗的冲击功。
(J) Ak k So
J/cm2
5.意义 a k越大，韧性越好，材料被冲断时吸收的冲击功越多。 能量既不会凭空产生，也不会凭 空消失，它只能从一种形式转化 当材料强度相差不大时，其冲击韧性越高，则抵抗大能 物体由于被举高而具有的能叫 为其他形式，或者从一个物体转 量冲击的能力就越强。a k 受温度的影响较大，对材料的 做重力势能mgh (h为相对高 移到另一个物体，在转化或转移 试样缺口点的作用： 组织缺陷十分敏感。 冲击时使材料在缺口附近造成应力集中，使塑性变形 度）。 的过程中，能量的总量不变。这 局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证在缺口处发生发生破 注：冲击韧性取决于材料的强度与塑性，但与塑性的关系更大一些。 就是能量守恒定律。 断，以便正确确定材料承受冲击载荷的能力。——缺口效应 思考:重力势能？能量守恒定律
四、冲击韧性
那些零件设计时需要考虑冲击韧性？
冲击载荷
1、冲击韧性 ——金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 （韧性）是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示材料抗冲击的能力。 试验原理
2、测试方法冲击吸收功A k
A k= m g H
金属冲击试验实验报告
一、实验目的1. 了解金属冲击试验的基本原理和方法。
2. 通过冲击试验，测定金属在不同温度下的冲击吸收功，分析其冲击韧性和韧脆转变温度。
3. 比较不同金属的冲击性能，为金属材料的应用提供参考。
二、实验原理金属冲击试验是一种常用的力学性能试验方法，用于测定金属在冲击载荷作用下的力学性能。
冲击试验原理如下：1. 冲击试验采用摆锤冲击试验机进行，摆锤的势能转化为试样的冲击能，使试样在冲击过程中产生断裂。
2. 试样在冲击过程中吸收的能量称为冲击吸收功（Ak），其计算公式为：Ak = 1/2 mgh，其中m为摆锤质量，g为重力加速度，h为摆锤高度。
3. 通过测定冲击吸收功，可以分析金属的冲击韧性和韧脆转变温度。
三、实验材料与设备1. 实验材料：低碳钢、T8钢、工业纯铁。
2. 实验设备：金属摆锤冲击试验机、游标卡尺、温度计、冲击试样。
四、实验步骤1. 准备试样：将实验材料加工成标准冲击试样，试样尺寸符合GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》的要求。
2. 设置试验参数：根据实验要求，调整冲击试验机的摆锤能量和冲击速度。
3. 进行冲击试验：将试样放置在冲击试验机的支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间。
调整摆锤高度，使摆锤获得一定的势能，然后释放摆锤进行冲击试验。
4. 测量冲击吸收功：记录摆锤冲击试样后剩余的高度，计算冲击吸收功。
5. 测量试样温度：在冲击试验过程中，实时测量试样温度，分析金属的韧脆转变温度。
五、实验结果与分析1. 冲击吸收功：根据实验数据，绘制不同金属在不同温度下的冲击吸收功曲线，分析其冲击韧性和韧脆转变温度。
2. 冲击韧度：根据冲击吸收功，计算不同金属的冲击韧度，比较其冲击性能。
3. 韧脆转变温度：根据冲击吸收功曲线，确定不同金属的韧脆转变温度。
六、实验结论1. 低碳钢、T8钢和工业纯铁在不同温度下的冲击吸收功存在明显差异，说明不同金属的冲击性能存在差异。
2. 低碳钢的冲击韧度最高，T8钢次之，工业纯铁最低。
金属材料冲击实验(课堂PPT)
B&C Type U型
10 10 55 5 N/A 1mm
.
6
典型脆性断口和韧性断口
脆性
韌性
.
7
四．实验步骤
1．测量试件尺寸。 2．检查机器，校正零点。校零点用空摆实验进行。 3．试件放入钳口座，并用样板校正位置以对准刀刃。 4．按下“冲击”按钮进行冲击实验。 5．记下E值，观察样品破坏断面。整理机器，结束实验。
.
3
试验机测试原理
h
α β
E = G（h-h′) = GL(COSβ–COSα)
.
4
冲击试件：
R1 10
55
2 8
10
.
5
A Type V型
10 10 55 2 45 0.25
试样尺寸
型片型式 開槽形狀 尺寸(mm) 高度(mm) 寬度(mm) 長度(mm)
凹槽深度(mm) 凹槽夾角(°) 曲率半徑(mm)
实验二、金属材பைடு நூலகம்的冲击实验
一、实验目的
1.掌握金属冲击实验原理及冲击韧性含义 2.了解冲击试验机测试原理与操作步骤
二、实验设备
1．JB—300A冲击试验机 2．游标卡尺
.
1
冲击实验机
.
2
三、实验原理概述
● 材料在冲击载荷作用下,产生塑性变形和 断裂过程中吸收能量的能力,称为材料的 冲击韧性。
● 将规定几何形状的缺口试样置于试验机两 支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤 一次打击试样，测定试样的吸收能量
.
8
五、注意事项
1．本实验要特别注意安全。先安试件， 后再升起摆锤，严禁先升摆锤，后 安试件。因为这样很危险。
2．冲击时，同学们一律不得站在面对 摆锤运动的方向上，以免试件飞出 伤人 。
金属材料的韧性及其测定
五.布置作业，巩固提高
• 练习1.( ) 是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。 • 练习2.材料的冲击吸收能量K越大，其韧性就（ ）。
六.情感升华
• 我们在初中物理上学习了能量转换，动量守恒等概 念，今天呢，我们利用这些知识设计了夏比摆锤实 验，通过这次实验，我们完成了对韧性的理解，这 就提醒我们要善于将所学知识综合利用起来，由简 单的单线思维向多线的综合的思维转换。
1.3 金属材料的韧性及其测定
一.导入新课，展示目标
• 前面几节我们学习了强度，硬度等力学性能，本节 课我们一起了解一下韧性的概念。
• 知识与技能 • 掌握金属材料力学性能指标韧性的含义 • 了解金属材料力学性能指标韧性的测定方法。 • 过程与方法 • 通过与学生探讨实验原理，了解韧性的概念
一.导入新课，展示目标
• 情感态度与价值观 • 本次实验涉及到动量，能量的转换，循循善诱，激
发学生学习兴趣，培养学生思考能力。
二.设疑激探，自主学习
• 疑问1.韧性的定义及其单位。 • 疑问2.夏比摆锤冲击试验的原理是什么？ • 疑问3：冲击试样开口的作用是什么？
三.合作讨论，师生探究
• 讨论1：夏比试验的原理是什么？ • 讨论2：冲击吸收能量KV或KU与力学性能验的实验原理：实验时，将带有缺口的试样安放在
试验机的机架上，使试样的缺口位于两固定支座中间，并
背向摆锤的冲击方向，将质量的摆锤升高到规定高度h1，
则摆锤具有势能KV1（V形缺口试样）或KU1（U形缺口试
样）。当摆锤落下将试样冲断后，摆锤继续向前升高到h2，
此时摆锤的剩余势能为KV2或KU2.摆锤冲断试样所失去的
冲击韧性与疲劳极限(模块一)
旧标准GB/T229－1994 名称 冲击吸收功 符号 AK
U型缺口冲击吸收功 (2mm锤刃)
AKU
V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量
转变温度
KV 8
Tt
V型缺口冲击吸收功 (2mm锤刃)
AKV
韧脆转变温度
TC
• 低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变 为脆性状态的现象 。 • 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降 并引起脆性破坏的现象。 • 冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击 韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急 剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这 一温度称为转变温度（ Tt ）。 • 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好， 对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。 • 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
• 冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受 较大的冲击载荷。
• 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大， 越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的 材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材 料。
一次摆锤冲击试验原理
• 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试 验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机 架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 • 所以，摆锤用于冲断试样的能量
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质量
直接有关
1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了 20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打 捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在 冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船 迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆 性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。
金属材料冲击实验
实验九 金属材料冲击实验一、实验目的机械构件或结构在工作时不仅会受到静荷作用，有时还处于动载荷的作用下，由于加载的速度不同，材料的机械性能，对外力的抵抗能力都与静载荷作用时不同，这就需要通过动荷实验解决，常用的动荷实验有冲拉、冲弯、疲劳等。
通过冲弯实验，测定低碳钢的动荷作用下的重要机械性能——冲击韧性。
同时还可以观察塑性材料试件切口处于三向拉伸情况下断裂的特性。
二、冲击实验冲击弯曲实验，由于方法简便，试件尺寸小，实验结果对材质的变化较为敏感，能揭露金属在静荷实验不能发现的一些缺陷，所以它是动荷实验中最常用的一种方法，在生产中得到广泛应用。
实验方法与要求详见国家标准《金属常温冲击韧性试验法》GB229-63。
冲击实验主要用来测定材料的冲击韧性，它是指带缺口试件断口单位面积所消耗的能量。
即AW k =α式中：W ——冲断过程所消耗的冲击能量，单位焦耳（J ）。
A ——实验前试件断口处的最小截面积（mm 2） k α——冲击韧性，单位为J/mm 2， 冲击韧性是材料的重要机械性质。
冲击韧性愈高，表示材料抵抗冲击载荷能力愈好。
此外冲击韧性十分灵感地表现了结晶颗粒大小和内部金相组织在合金内的影响，如回火脆性、时效等，这些因素对机械性能的影响用静力实验不能发现，因而冲击韧性是控制和稳定产品质量的重要指标。
三、试件冲击弯曲试件在侧面开有缺口(图9.1),一般为U 形及V 形。
由于试件截面积与断裂时消耗的总功之间无比例关系，缺口试件不能应用相似定律，因此要求试件形状尺寸必须一致 ，否则试验结果无效。
我国国家标准规定以U 形缺口试件为标准冲击试件，也叫梅氏冲击试件（图9.1a），目前生产及研究部门逐步引用V 形缺口试件，称为夏氏冲击试件（9.1b ）。
详见《金属（V 形缺口）夏氏冲击试验方法》GB2106-80。
试件有缺口，冲击时缺口底部材料由于应力集中处于三向拉伸应力状态，使材料的塑性变形难于产生。
冲击能量和塑性变形集中于缺口附近不大的体积内，促使材料产生脆性断裂。
金属材料的力学性能PPT课件
材料的ak值愈大，韧性就愈好； 材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。
43
2. 断裂韧性
低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况
下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。
低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身
缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生 的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导 致零（构）件断裂。
44
1.1.5 疲劳强度
① 疲劳破坏
零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下， 经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳 断裂。 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度 检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。
39
1.1.4 冲击韧性
1. 冲击韧性
是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
冲击韧性的测定方法
摆锤式一次冲击试验 小能量多次冲击试验
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摆锤式一次冲击试验 摆锤式冲击实验机
41
试验原理
14
拉伸试验（应力—应变）曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
（缩颈点） K — 断裂点
15
拉伸过程变化的三个阶段
（1） 弹性变形阶段 （2） 屈服变形阶段 （3） 强化阶段 （4） 缩颈阶段
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
16
弹性与塑性
弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复 其原来形状的性能，叫做弹性。 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。 塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫 做塑性变形。
金属力学性能检测 金属冲击韧性试验.
冲击韧性试验
1.4 金属冲击韧性试验
建造中的Titanic 号
TITANIC的沉没与船体材料 的质量直接有关
Titanic 号钢板（左）和近代船用钢板（右）的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
冲击韧度：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
通常用冲击韧性指标aK来度量。一般也用冲击功AK
• aKV(aKU)是一个综合性的力学性能指标，与材料 的强度和塑性有关，单位为J/m2。
昆明冶金高等专科学校
3、冲击韧性及其工程意义
一般将akv(aku)视为材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指 标，用来评定材料的韧脆程度，作为保证机件安全设计的 指标。
但akv(aku)表示单位面积的平均冲击功值，是一个数学平 均量。
冶金材料学院
昆明冶金高等专科学校
尖锐缺口、深缺口适用于韧性较好材料。 U型缺口由于应力较大，塑性变形较难。塑性较差材料。
冶金材料学院
用试样缺口处截面FN(cm2)去除AKV(AKU)，便得到冲击 韧度或冲击值aKV(aKU)，即
试样冲断时所消耗的冲击吸收功AkU为: A kU = m g（H1 –H2） (J)
冶金材料学院
昆明冶金高等专科学校
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
冶金材料学院ຫໍສະໝຸດ 昆明冶金高等专科学校冶金材料学院
昆明冶金高等专科学校
一、冲击弯曲试验 1.一次冲击弯曲试验 缺口试样一次冲击弯曲试验在摆锤式冲击试验机上进行，
将试样水平放置于试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。冲 击时将具有一定质量G的摆锤举至具有一定高度H1的位置，使 其获得一定位能GH1。
尽管冲击吸收功不能真正代表材料的韧性程度，但由于它 对材料成分、内部组织变化十分敏感，而且一次冲击弯曲试验 方法简便易行，所以仍被广泛采用。
1-1-冲击韧性测定实验指导书
实验一缺口试样冲击韧性实验一、实验目的1、了解冲击韧性的含义；2、分别测定脆性材料和塑性材料的冲击韧性，比较其抗冲击性能的高低；3、了解韧性断口与脆性断口的宏观形貌特征和区别。
二、实验概述1、实验原理冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功A k来表示。
缺口冲击韧性试验是综合运用了缺口、低温及高应变速率这三个因素对材料脆化的影响，在这三个因素中，缺口所造成的脆化是最主要的。
用实验方法测定材料的冲击韧性时，把材料做成标准试样后在冲击试验机上进行，并用打断试样的冲击吸收功来衡量。
按照实验温度、受力方式和实验打击能量等来区分的话，实验类型繁多。
在没有特殊要求的情况下通常采用常温、简支梁式、大能量一次性冲击实验。
GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》试验标准规定了测定金属材料在夏比冲击试验中吸收能量的方法，包括V型缺口和U型缺口。
缺口冲击试验的原理如下图1所示。
冲击试验机由机身、支座、摆锤、刻度盘、指针等几部分组成。
将带有缺口的试样安放在试样座上，然后将具有一定重量G的摆锤升至一定的高度H0，然后将摆锤释放使其自由下落，摆锤下落至最低位置处将试样冲断，冲击后摆锤的高度由H0变为H1，势能变化为G（H0-H1），它等于冲断试样所消耗的功。
摆锤将试样冲断时所作的功即为冲击吸收功，以A k表示，A k=G（H0-H1）（1）A k的单位为N·m（J）。
（a）摆锤冲击试验机的组成（b）支座、试样与摆锤的结构关系图1 摆锤冲击试验示意图摆锤冲击试验机的摆轴长度l和起始下落角α都设计成固定值，冲断试样后的扬起角为β，则式（5）可写为：A k=Gl（cosβ- sinα）（2）β随材料抗冲击能力的不同面变化，为了适应不同冲击能量的需要，试验机配备有不同重量的摆锤。
冲击试验过程中,由于有部分能量消耗在试验机的振动、空气阻力、轴承等零部件的摩擦，冲击吸收功的大小不能完全反映材料的韧脆程度，因为这部分的能量损失较小，一般可以忽略。
金属缺口试样冲击韧性的测定
金属缺口试样冲击韧性的测定主讲教师：一、实验目的 1．了解冲击韧性的含义。
2．测定钢材和硬铝合金的冲击韧性，比较两种材料的抗冲击力和破坏断口的形貌。
二、实验原理 材料在冲击载荷作用下，产生塑性变形和断裂过程吸收能量的能力，称为材料的冲击韧性。
用实验方法测定材料的冲击韧性时，是把材料制成标准试样，置于能实施打击能量的冲击试验机上进行的，并用折断试样的冲击吸收功来衡量。
按照不同的实验温度、试样受力方式、实验打击能量等来区分，冲击实验的类型繁多，不下十余种。
现在介绍常温、简支梁式、大能量一次性冲击实验。
依据是国家标准GB/T 229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》。
冲击试验机由摆锤、机身、支座、度盘、指针等几部分组成（图1）。
实验时，将带有缺口的受弯试样安放于试验机的支座上，举起摆锤使它自由下落将试样冲断。
若摆锤重量为G，冲击中摆锤的质心高度由H0变为H1，势能的变化为G(H0-H1)，它等于冲断试样所消耗的功W，亦即冲击中试样所吸收的功为：Ak=W=G(H0－H1) 1设摆锤质心至摆轴的长度为l （称为摆长），摆锤的起始下落角为α，击断试样后最大扬起的角度为β，式1又可写为A k =G l (cosβ-cosα) 2 α一般设计成固定值，为适应不同打击能量的需要，冲击试验机都配备两种以上不同重量的摆锤，β则随材料抗冲击能力的不同而变化，如事先用β最大可能变化的角度计算出A k 值并制成指示度盘，A k 值便可由指针指示的位置从度盘上读出。
A k 值的单位为J （焦耳）。
A k 值越大，表明材料的抗冲击性能越好。
A k 值是一个综合性的参数，不能直接用于设计，但可作为抗冲击构件选择材料的重要指标。
材料的内部缺陷和晶粒的大小对A k 值有明显影响，因此可用冲击实验来检验材料质量，判定热加工和热处理工艺质量。
A k 值对温度的变化也很敏感，随着温度的降低，在某一狭窄的温度区间内，低碳钢的A k 值骤然下降，材料变脆，出现冷脆现象。
冲击韧性
材料力学性能实验报告实验名称实验一缺口冲击韧性实验实验目的 1.掌握常温及低温下金属冲击试验方法；2.学会用能量法确定金属冷脆能变温度t；k3.了解冲击试验机结构、工作原理及正确使用方法。
实验设备 1.游标卡尺；2.20#钢退火态试样和40Cr调质态试样各三根；3.JBW-300示波冲击试验机；4.液氮，酒精；5.温度计。
试样示意图图1 冲击试验标准试样示意图实验结果记录20#退火态和40Cr调质态试样的冲击吸收总功记录见附录。
根据裂纹形成能量、裂纹扩展能量以及总冲击能量，以及冲击记录的示波图，得到，裂纹萌生功= 裂纹形成能量；裂纹扩展功=裂纹扩展能量-裂纹形成能量；裂纹撕裂功=总冲击能量-裂纹扩展能量。
20#退火态和40Cr调质态试样的裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹撕裂功分别见表1和表2：表1 20#退火态各试样的裂纹萌生、扩展、撕裂功记录表试样编号温度/℃裂纹萌生功/J 裂纹扩展功/J 裂纹撕裂功/J 1-1 20 45.8112 0.4700 1.33701-3 20 44.0039 2.2082 20.17314-4 20 30.6656 1.7666 15.3820-2 0 38.8878 0.2872 1.05400-3 0 38.8078 0.2678 2.39715-3 0 37.4989 0.7339 2.47645-2 0 35.4670 0.3494 1.76661-4 -30 6.6485 0.3104 2.40011-6 -30 6.7921 0.3238 2.8115表1 40Cr调质态各试样的裂纹萌生、扩展、撕裂功记录表试样编号温度/℃裂纹萌生功/J 裂纹扩展功/J 裂纹撕裂功/J1-2 20 50.2343 1.4006 18.3959A-1 20 42.0885 2.1613 26.5258B-3 0 41.405 1.4651 14.6755D-3 0 33.6908 0.7463 25.86235-3 0 39.5793 1.1635 4.59205-2 -30 33.9825 1.2214 5.18192-2 -30 26.9017 2.6659 29.03643-2 -60 32.2844 1.4816 19.57542-2 -60 47.6899 0.3546 9.17776-3 -90 40.5959 2.3280 10.0549实验数据处理根据表1和表2，以及各试样在不同温度下的冲击吸收功，做各试样的冲击吸收总功、裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹撕裂功与温度的关系曲线，分别得到图2—9八幅图：0102030405060-100-80-60-40-202040冲击总功/J温度/℃28.7-11.5ETT 50图2 20#退火态试样冲击总功与温度关系曲线05101520253035404550-40-30-20-10102030裂纹萌生功/J温度/℃图3 20#退火态试样裂纹萌生功与温度关系曲线图4 20#退火态试样裂纹扩展功与温度关系曲线0510152025-40-30-20-10102030裂纹撕裂功/J温度/℃图5 20#退火态试样裂纹撕裂功与温度关系曲线01020304050607080-100-80-60-40-202040冲击总功/J温度/℃-33.056.7EET 50图6 40Cr 调质态试样冲击总功与温度关系曲线图7 40Cr 调质态试样裂纹萌生功与温度关系曲线图8 40Cr调质态试样裂纹扩展功与温度关系曲线图9 40Cr调质态试样裂纹撕裂功与温度关系曲线冷脆转变温度金属韧脆转变温度：有些金属在其使用温度降低时，其塑性、韧性便急剧降低，使材料脆化，冲击值降低，这一现象为冷脆。
金属材料的力学性能及测定材料的韧性和疲劳强度
1.3.1 韧性简介
2、多冲抗力
金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。 多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。
材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学 性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时，主要决定于强度。
1.3.2 疲劳强度简介
2、多冲抗力
金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。 多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。
课题三 材料的韧性和疲劳强度
本课题重点与难点
教
学 重
韧性指标的表示方法和实际应用。
点
教
学
疲劳的概念、表示
难
方法、提高疲劳强度措施。
点
Байду номын сангаас
1.3.1 韧性简介
外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得 多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足 强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 1、冲击吸收功
韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。
根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功 AK=mgh1-mgh2。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（J）， 用AK除以试样缺口处的横截面积Ｓ所得的商即为该材料 的冲击韧度，用符号αK表示，即：
1.3.1 韧性简介
冲击吸收功AK与温度有关，见右下图所示。韧脆转变温 度越低，材料的低温抗冲击性能越好。
材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学 性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时，主要决定于强度。
材料的冲击韧性测试与分析
材料的冲击韧性测试与分析冲击韧性是衡量材料在受到外力冲击时能够抵抗破坏的能力。
因此，对于工程材料而言，评估其冲击韧性是至关重要的。
本文将介绍冲击韧性的测试方法以及如何分析测试结果，以帮助读者更好地了解和应用材料的冲击韧性。
一、冲击韧性测试方法1. 查尔斯冲击实验（Charpy Impact Test）查尔斯冲击实验是评估材料冲击韧性的常用方法之一。
它通过在材料样本上施加标准化的冲击载荷，并测量样本断裂前后的能量差来评估材料的抗冲击破坏能力。
具体实验步骤如下：a. 制备标准化的查尔斯冲击试样，一般为准备长方形的试样，其尺寸必须符合相应的标准要求。
b. 将试样安装在冲击试验机上，确保试样的支撑和固定都得到正确的处理。
c. 打击试样，使其受到冲击载荷。
冲击载荷可通过降落重锤或使用冲击台来施加。
冲击试样后，记录下试样断裂前后的能量差。
d. 重复实验，取平均值，并根据相关标准确定材料的冲击韧性。
2. 伊兹德尔冲击试验（Izod Impact Test）伊兹德尔冲击试验与查尔斯冲击实验类似，也是评估材料冲击韧性的常用方法之一。
它同样通过在材料样本上施加标准化的冲击载荷，并测量样本断裂前后的能量差来评估材料的抗冲击破坏能力。
与查尔斯冲击实验的不同之处在于试样的形状和支撑方式。
伊兹德尔冲击试验使用V形槽形的试样，并将其一个端固定在冲击台上。
二、冲击韧性测试结果的分析评估冲击韧性测试结果时，我们需要考虑以下几个方面：1. 断口形貌观察观察材料断口的形貌有助于了解其破坏机制。
一般而言，韧性良好的材料断口会呈现出相对平滑的面貌，而脆性材料的断口则呈现出明显的脆性特征，如沿晶脆断、韧窝等。
2. 断口能量差冲击试验的最终结果通常是样品断裂前后的能量差。
这个能量差越大，表示材料的冲击韧性越好，能够更好地抵抗外力冲击。
3. 温度影响材料的冲击韧性在不同温度下可能会有所变化。
因此，在冲击测试中，可以选取不同的温度条件来评估材料的冲击韧性对温度的敏感性。
电子课件-《金属材料及热处理(第二版)》-B01-1326 模块一 金属的性能
模块一 金属的性能
三、冲击韧性与疲劳强度
１．冲击韧性 ２．疲劳强度
模块一 金属的性能
金属材料在不同性质载荷作用下的性能分析
金属材料在不同性质载荷作用下的抵抗能力是不同的，因此，必须研 究金属材料在不同性质载荷作用下的力学性能和评价方法。
模块一 金属的性能
１．何谓强度？衡量强度的常用指标有哪些？分别用什么符号表示？ ２．何谓塑性？衡量塑性的指标有哪些？分别用什么符号表示？ ３．何谓硬度？常用的硬度试验方法有哪三种？各用什么符号表示？ ４．布氏硬度试验方法有哪些优缺点？说明其应用范围。 ５．洛氏硬度试验方法有哪些优缺点？说明其应用范围。 ６．有三种材料，硬度分别为 475HBW、512HV、62HRC，试比较这 三种材料的硬度高低。
模块一 金属的性能
二、试验内容及试验器材
１．试验内容 测定 20 钢、45 钢及 HT200 的硬度。 ２．试验器材 HB － 3000 型布氏硬度计、HR － 150 型洛氏硬度计 （ 可根据设备情 况自定） ，20 钢、45 钢及 HT200 试样若干组。
模块一 金属的性能
三、试验准备
１．制备 20 钢、45 钢及 HT200 试样 ２．校正 HB － 3000 型布氏硬度计和 HR － 150 型洛氏硬度计
模块一 金属的性能
一、切削加工与切Biblioteka 加工性１．常用切削加工方法 ２．金属的切削加工性
二、铸造加工与铸造性
１．铸造加工方法 ２．金属的铸造性
模块一 金属的性能
三、压力加工与可锻性
１．压力加工方法 ２．可锻性
四、焊接加工与可焊性
１．焊接加工方法 ２．金属的可焊性
模块一 金属的性能
钢和铸铁加工方法的选择
金属材料及热处理：韧性检测
连接
2. 2 缺口冲击试验的应用
• 优点：测量迅速简便，所以冲击韧性 AK列 为五大指标
• 功用：
用于控制材料的冶金质量和铸造，锻造，焊接及热处理等 热加工工艺的质量。不是服役性能指标，规定ak≥15J/㎝2， 对柴油机的连杆的要求要求热处理工艺和冶金质量是否正 常提出的问题，ak＝15J/㎝2，仍可使用。 用来评定材料的冷脆倾向。评定脆断倾向的标准是和材料 的具体服役条件相联系的
• 下图是建造中的Titanic 号。Gannon 的文章 指出，在水线上下都由10 张30 英尺长的高 含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船 体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰 山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英 尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，
海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧 性与人身安全的一个突出例证。
影响材料脆性断裂的冶金因素显微
组织
• 钢的冷脆转化温度决定于转变产物
• 在较低温度下，脆化温度由高到低依次顺序为
P B上 F B下 M回
• 在较低强度水平时，强度相等而组织不同的钢
M回最佳.
• 在较高强度水平时,中高碳钢在较低等温温度下获得下
贝氏体组织，则AK,tK就等同强度的 M回
• 在相同强度水平下，典型 B上 B下
泰坦尼克号（Tiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱanic）中的力学知识
• 1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰 坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了 20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。多年来， 出版了不少回忆录、小说，演出了不少戏 剧、电影。1985年以后，探险家们数次深 潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗 物。