金属系列冲击试验报告

金属系列冲击试验报告

一、试验内容、目的与要求

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。

要求预习GB/T 229-1994 金属夏比缺口冲击试验方法，参照该文件完成试验并且编写试验报告。同时结合夏比冲击试验归纳总结降低金属韧性的致脆因素。

二、材料、试样与试验设备及试验程序

1、试验材料与试样

试验材料：低碳钢Q235、工业纯铁和T8钢制成的标准U型缺口冲击试样（如图1）。

图1 标准U型缺口冲击试样

2、试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备

摆锤冲击试验机（JB-300B），规格150/300J。打击能力符合国标要求。

工具显微镜（目镜10×，物镜2.5/0.08,160/0），最小分度为0.001mm，符合国标中不大于0.02mm的要求。

高低温温度计：最小分度为1℃，符合国标要求。

数字显示式热电偶测温器，保温瓶，液氮，沸水（约100℃）等。

3、试验步骤

（1）将三种试样（低碳钢Q235，T8钢，纯铁）分别标号为1、2、3。试验温度分别为-60℃、-40℃、-30℃、-20℃、0℃、室温、沸水温度。

（2）将试样在保温杯中保温至少5min。高温使用沸水保温，0℃及以下使用液氮冷却；同时将温度计和夹具放入杯中。当温度达到设定的试验温度±2℃时，用夹具迅速移取试样进行冲击试验。

（3）使用摆锤冲击试验机对试样依次进行冲击试验，记录冲击吸收功。

（4）观察冲击试样断口形貌，使用工具显微镜测量并计算试样脆性区断口面积%。（5）妥善处理试样，试验仪器归位。

三、试验结果与分析讨论

1、试验数据处理与分析讨论

（1）原始数据

（2）断口形貌

断口脆性区呈白亮结晶状，断面平整。断口韧性区呈灰色纤维状，断口不平整。而脆性韧性混合断裂的试样断口可分为纤维状韧断区、边缘剪切唇区和心部结晶状脆断区。由于试样表面为平面应力状态，因此表面较软，塑性好，韧断区分布在断口外围；而试样中部为平面应变状态，因此心部较硬，塑性差，脆断区

在断口中央，不会出现在边缘。

我的试样是高温T8钢，其断口全部为平整白亮的结晶区，可知为完全脆性断裂，脆性断面率为100%，断口形貌如图2。

当断口全部为灰色纤维状时，为完全韧性断裂，脆性断面率为100%。当断口即有白亮结晶区又有灰色纤维区时，为脆性韧性混合断裂，此时需要使用工具显微镜测量心部结晶状脆断区尺寸，并计算脆断区面积和比例。方法如下：根据国标GB/T 12778-2008，按断口上晶状区的形状，若能归类成矩形、梯形时（如图3），可用量具测出相应尺寸，计算出断口晶状区面积%：

脆性断面率=A

c /A

×100%

式中，A

c 为断口中晶状区的总面积，单位为mm2；A

为原始横截面积，单位为mm2。

图3 量具测定断口解理面积示意图（3）韧脆转变温度

使用Origin8.5软件中的Boltzmann 函数对三种试样的韧脆转变温度曲线进行非线性曲线拟合。根据材料力学行为理论知识可知，当断口上结晶或脆性断裂区达50%时，相应的温度称为断口形貌转化温度（FATT 50）；曲线冲击功明显变化的中间部分称为转化区，脆性区和塑形区个占50%时的温度称为韧脆转变温度（DBTT 50），在大多数情况下看，DBTT 与FATT 几乎是相等的。在判断材料是否发生韧脆转变时，除了依据冲击吸收功-温度曲线和脆性断面率-温度曲线外，还应结合试样断口形貌综合分析。 1号试样（Q235低碳钢）

050

100

150

200

250

300

温度 (℃)

冲击吸收功A k (J )

图4

Q235低碳钢冲击功及脆性断面率随温度变化关系

由图4可知，Q235低碳钢冲击吸收功随试验温度的增加而明显增大，但在本

次试验测量温度范围内并未出现明显的上下平台，因此无法计算DBTT 50。改进的方法是扩大系列冲击试验设置的温度范围，多测量几组数据直至冲击吸收功随温度变化出现明显的上下平台。脆性断面率随试验温度的增加而减小，这说明温度升高，Q235低碳钢的韧性断裂比例同时上升。而观察Q235低碳钢试样在不同试验温度下的断口形貌可知，在低温时为完全脆性断裂，随温度升高出现脆韧混合断口，在高温时为完全韧性断裂。综合考虑可以判断，随温度升高，Q235低碳钢存在韧脆转变特性。使用Origin8.5中的读数功能可以得到拟合曲线上脆性断面率为50.07%时对应的温度为-12.70，及FATT 50=-12.70℃。

● 2号试样（T8钢）

温度 (℃)

冲击吸收功A k (J )

图5

T8钢冲击功及脆性断面率随温度变化关系

由图5可知，冲击吸收功随试验温度的增加而稍有增大；脆性断面率随试验温度的增加保持100%不变。观察T8钢试样在不同试验温度下的断口形貌可知，不论在高温还是低温下，断口均为完全脆性断裂。综合考虑可以判断，随温度升高，T8钢不存在韧脆转变特性。 ● 3号试样（纯铁）

温度 (℃)

冲击吸收功A k (J )

图6

纯铁冲击功及脆性断面率随温度变化关系

由图6可知，纯铁冲击吸收功在试验温度的一小区间内迅速增大，并出现明

显的上下平台。脆性断面率在试验温度的一小区间内急剧减小，并出现明显的上下平台。这说明纯铁的韧性断裂比例在某一温度区间内快速上升。观察纯铁试样在不同试验温度下的断口形貌可知，在低温时为完全脆性断裂，在高温时为完全韧性断裂。综合考虑可以判断，随温度升高，纯铁存在韧脆转变特性。使用Origin8.5中的读数功能可得冲击吸收功上下平台两点（-39.261,277.308），（-40.035,8.572）。由于连接上下平台的曲线可近似看做一条直线，因此以上两点连成的线段中点（39.648,142.92）的温度坐标即为DBTT 50，即DBTT 50=-39.65℃。使用Origin 读数可知，脆性断面率为50.0%时对应的温度FATT 50=-37.40℃。 比较三种的韧脆转变特性

50

100

150

200

250

300

冲击吸收功A k （J ）

温度 (℃)

冲击吸收功Ak (J)Q235

冲击吸收功Ak (J)T8

图7

三种试样的冲击吸收功随温度变化关系

由图7可以看出，Q235低碳钢与纯铁均有韧脆转变特性，且纯铁的韧脆转变

在很小的温度区间内完成。T8钢无韧脆转变现象，表现为完全脆性断裂。 2、试验结果的分析讨论

本次试验得出的三种试样的韧脆转变温度如表3所示。

Q235低碳钢冲击吸收功在本次试验测量温度范围内并未出现明显的上下平台，因此无法计算DBTT 50。改进的方法是扩大系列冲击试验设置的温度范围，多测量几组数据直至冲击吸收功随温度变化出现明显的上下平台。

当然，试验过程中也存在一些问题。如在将试样从保温杯拿出至进行冲击试