沖擊韌度試驗和沖擊試驗原理

金屬材料在使用過程中除要求有足夠的強度和塑性外，還要求有足夠的韌性。所謂韌性，就是材料在彈性變形、塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性好的材料在服役條件下不至于突然發(fā)生脆性斷裂，從而使安全得到保證。

韌性指標可分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度，其中評價沖擊韌度（即在沖擊載荷下材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力）的實驗方法，按其服役工況有簡支梁下的沖擊彎曲試驗（夏比沖擊試驗）、懸臂梁下的沖擊彎曲試驗（艾氏沖擊試驗）以及沖擊拉伸試驗。夏比沖擊試驗是由法國工程師夏比（Charpy）建立起來的，雖然試驗中測定的沖擊吸收功Ak值缺乏明確的物理意義，不能作為表征金屬材料實際抵抗沖擊載荷能力的韌性判據(jù)，但因其試樣加工簡便、試驗周期短、試驗數(shù)據(jù)對材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等敏感而成為評價金屬材料沖擊韌度應用廣泛的一種傳統(tǒng)力學性能試驗。

缺口沖擊韌度實驗是綜合運用了缺口、低溫及高應變速率這三個因素對材料脆化的影響，使材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這樣可用來顯示和比較材料因成分和組織的改變所產(chǎn)生的脆斷傾向。在影響材料脆化的這三個因素中，缺口所造成的脆化是主要的，如果不用缺口試樣而用光滑試樣，即使降至很低溫度，也難以使低中強度鋼產(chǎn)生脆斷。同樣，在規(guī)定的實驗方法中，由沖擊而造成的高應變速率也是有限的，它只在試樣有缺口的前提下促進了材料的脆化。

夏比沖擊試驗按試驗溫度可分為高溫、低溫和常溫沖擊試驗，按試樣的缺口類型可分為V型和U型兩種沖擊試驗。

現(xiàn)行標準GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》將以上所涉及的試驗方法統(tǒng)一合并在一個標準內(nèi)，更加便于執(zhí)行。

沖擊試驗原理

夏比沖擊試驗是將具有規(guī)定形狀、尺寸和缺口類型的試樣，放在沖擊試驗機的試樣支座上，使之處于簡支梁狀態(tài)。

然后用規(guī)定高度的擺錘對試樣進行一次性打擊，如圖5.5-1所示，實質(zhì)上就是通過能量轉(zhuǎn)換過程，測量試樣在這種沖擊下折斷時所吸收的功。

圖5.5-1 夏比沖擊試驗原理

試樣的沖擊吸收功在試驗過程中用擺錘沖擊前后的位能差測定，如不考慮空氣阻力及摩擦力等能量損失，則沖斷試樣的吸收功為

AK=A1-A2  (5.5-1)

A1=FH1=FL(1-cosα)  (5.5-2)

A2=FH2=FL(1-cosβ)  (5.5-3)

AK=F X L(cosβ-cosα)  (5.5-4)

式中，A1為擺錘起始位能，J；A2為擺錘打擊試樣后的位能，J。F為擺錘的重力，N；L為擺長（擺軸至錘重心之間的距離），mm；α為沖擊前擺錘揚起的*大角度，rad；β為沖擊后擺錘揚起的*大角度，rad。