示波冲击试验功能与应用详解

示波冲击试验功能与应用详解演示文稿目前一页\总数六十五页\编于十五点优选示波冲击试验功能与应用目前二页\总数六十五页\编于十五点冲击载荷的断裂行为如金属快速成型（冲压)，爆炸，军事装甲，结构抗震等方面。材料和结构要承受冲击载荷，它的变形是一个动态过程，因为其持续时间较短并且伴随着较高的应变率，而材料在不同应变率的作用下通常表现出不同的力学特性，如硬化特性以及延展性等。冲击对于人们了解材料在不同应变率下的力学行为提出了一种简便易行的方法。目前三页\总数六十五页\编于十五点材料的韧性韧性可分为断裂韧性和冲击韧性断裂韧性是表征材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标冲击韧性是对材料在高速冲击负荷下韧性的度量。两者存在着内在的联系目前四页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂1、按照断裂前有无明显的塑性变形分为：韧性断裂、脆性断裂。韧性断裂——断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑变的断裂过程。断裂过程较慢，消耗大量的塑性变形能。断口的特征——纤维状（众多细微裂纹不断扩展和相互连接造成）、暗灰色（纤维状断口对光的反射能力很弱）。目前五页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂脆性断裂——断裂前及断裂过程中基本上不产生明显宏观塑变的断裂过程。没有明显预兆，裂纹的扩展速度往往很快，具有很大的危险性。断口的特征——断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。目前六页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂2、按晶体材料断裂时裂纹扩展的途径分为：

穿晶断裂、沿晶断裂。穿晶断裂——断裂过程中裂纹穿过晶粒内部的断裂过程。穿晶断裂特点:可以是韧性断裂，可以是脆性断裂。

目前七页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂沿晶断裂定义——断裂过程中裂纹沿晶界扩展的断裂过程。沿晶断裂特点——绝大多数为脆性断裂。断口的特征——

一般呈结晶状（冰糖状）。目前八页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂3、按照微观断裂机理分为：解理断裂、剪切断裂（纯剪切断裂、微孔聚集型断裂）。解理断裂与剪切断裂是两种不同的微观断裂方式，是材料断裂的两种重要机理。目前九页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂解理断裂定义——在正应力的作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的微观断口应该是极平坦的镜面，但是实际的解理断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。断口的特征——解理台阶、河流花样和舌状花样。

解理断裂的特点：1主裂纹清晰；2晶粒内无变形；3裂纹多萌生于晶界；目前十页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。目前十一页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂微孔聚集型断裂——是韧性断裂的普遍方式。断裂过程包括微孔的形核（第二相碎裂与基体界面脱离）、长大（大量位错进入微孔）、聚合（相邻微孔连接,形成微裂纹）直至断裂（微裂纹在尖端应力集中作用下与主裂纹连通）。

微孔也可产生于晶界，或孪晶带等处，只是相对地说微孔萌生较迟些。目前十二页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂微孔聚集型断裂断口的特征——宏观上常呈暗灰色、纤维状，微观上则为大量的韧窝。韧窝大小取决与第二相的大小及间距，一般来说间距小，韧窝也小。韧窝的深度取决与材料的塑性好坏，一般来说，塑性好，韧窝较深。目前十三页\总数六十五页\编于十五点材料的断裂4、按作用力的性质和断裂面的取向分为，正断、切断。断裂可分为三个阶段：

裂纹萌生、裂纹扩展、和失稳断裂。

目前十四页\总数六十五页\编于十五点静荷载动荷载静荷载：荷载由零缓慢增长至最终值，然后保持不变。构件内各质点加速度很小,可略去不计。动荷载：荷载作用过程中随时间快速变化，或其本身不稳定（包括大小、方向），构件内各质点加速度较大。目前十五页\总数六十五页\编于十五点静荷载动荷载的一般界定实践中发现:1.材料的力学性能有时与变形速率有密切关系，一般相对变形速率在10-4-10-2/秒范围内，性能变化不明显，可按照静载处理。2.若相对变形速率大于10-2/秒，力学性能将发生显著变化，韧性下降，材料变脆。可按照动荷载处理。目前十六页\总数六十五页\编于十五点动载荷静载荷--强度、屈服的差别尽管冲击速度很快，但是弹性变形以声速传播，冲击速度对弹性变形没有影响。对弹模也没有影响但是很快的冲击速度使塑性变形不均匀，当某些金属的滑移系、滑移面原子密度和滑移方向原子数目较多时，塑性变形任然会产生，塑性变形从一处转移到另一处，会使变性增加，同时产生形变硬化，使冲击力增强，从而导致冲击裂纹形成功自增加。同时动载荷的强度也高于静载荷的强度目前十七页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素--晶体结构1.晶体结构因素：

体心立方金属及其合金或某些密排六方晶体金属及合金,存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。

体心立方金属的低温脆性可能和迟屈服现象有密切关系。所谓迟屈服是指当用高于材料屈服极限的载荷以高加载速度作用于体心立方结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应力下保持一定时间后才发生屈服。温度越低，持续的时间越长，这就为裂纹的发生和传播造成有利条件。中、低强度钢的基体是体心立方结构的铁素体，故都有明显的低温脆性。目前十八页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素--晶体结构2.位错因素:1.位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，材料的冲击韧性↑.(同时开动的位错源增加。屈服强度提高得较多。)2.层错能↑，韧性↑。

增加层错能，促进螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，故韧性增加．目前十九页\总数六十五页\编于十五点金属常见的塑性变形机理金属材料的塑性变形:金属常见的塑性变形机理为——滑移＋孪生滑移是在切应力作用下，沿着滑移面和滑移方向进行的切变过程。

孪生是金属在切应力作用下的另外一种塑性变形方式。孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。各晶粒塑性变形的相互协调性:多晶体金属作为一个连续整体，不允许各个晶粒在任一滑移系自由变形，否则必将导致晶界开裂，这就要求各晶粒之间能协调变形。每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，或在滑移的同时产生孪生变形，以保持材料的整体性。目前二十页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素--晶体结构3.形成柯氏气团，韧性↓。

这是由于间隙溶质元素溶入基体金属晶格中，通过与位错的交互作用，偏聚于位错线附近形成柯氏气团，致使屈服升高，所以钢的脆性增大目前二十一页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素--冶金因素1.溶质元素

1.1间隙溶质原子，使韧性↓这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。

间隙溶质元素含量增加，位错阻力增大，脆性增大，韧脆转变温度提高。1.2置换式溶质，对韧性影响不明显

钢中加入置换型溶质元素(Ni镍

、Mn锰例外)一般也降低高阶能，但这种影响较间隙溶质原子小得多。Ni增加层错能，促进螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，故韧性增加．

1.3杂质元素S硫

、P磷

、As砷

、Sn锡

、Sb锑

使韧性↓例如：钢中的钢中有多种有害元素，其中硫元素引起热脆。磷元素引起冷脆。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界体表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。

目前二十二页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—显微组织2、晶粒大小因素:

细化晶粒可使材料韧性增加。研究表明，不仅铁素体晶粒大小与韧脆性相关，而且马氏体板条束宽度、上贝氏体铁素体条束宽度、原始奥氏体晶粒尺寸和韧脆性相关。细化晶粒能提高材料的韧性

细化晶粒提高韧性的原因有：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；

晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。

目前二十三页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—金相组织1.金相组织

1.1回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性↓。

金相组织在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击韧性以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。此外，球化处理能改善钢的韧性。

目前二十四页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—金相组织1.2在较高强度水平时。中、高碳钢经等温淬火获得下贝氏体组织，其冲击吸收功优于同强度的淬火马氏体并回火的组织。

1.3在相同强度水平，典型上贝氏体的的韧性高于下贝氏体的的韧性。但低碳钢低温上贝氏体(B1)的韧性高于回火马氏体的韧性，这是由于在低温上贝氏体中渗碳体沿奥氏体晶界的析出受到抑制，减少了晶界裂纹所致。

目前二十五页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—金相组织1.4在低碳合金钢中，经不完全等温处理获得贝氏体和马氏体的混合组织，其韧性比单一马氏体或单一贝氏体组织要好

这是因为贝氏体先于马氏体形成，优先将奥氏体晶粒分割成几部分，使随后形成的马氏体限制在较小范围内，从而获得了极为细小的混合组织，裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗能量较大，故钢的韧性较高．

目前二十六页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—金相组织1.5中碳合金钢马氏体－贝氏体混合组织的韧性，亦视钢在奥氏体化后的冷却过程中贝氏体和马氏体的形成顺序而定，只有贝氏体先于马氏体形成韧性才可以改善．

目前二十七页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—金相组织2第二相（大小、形态、数量、分布）

钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取决于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与基体的结合力等因素．一般第二相尺寸增加，材料的韧性下降．第二相的形状对材料脆性也有影响，球状第二相材料的韧性较好。

目前二十八页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素1、温度的影响1.1冷脆性(Tk称为韧脆转变温度)

当试验温度低于某一温度时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态变为脆性状态，这就是低温脆性。断裂机理：大多由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。目前二十九页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素1.2蓝脆：大多数铁素体一珠光体组织的合金钢，随温度升高，在300℃左右韧性降低。它发生在钢表面有蓝色氧化膜的温度范围，因此称为蓝脆。产生蓝脆的原因是碳和氮间隙原子的形变时效。在150～350℃温度范围内形变时，已开动的位错迅速被可扩散的碳、氮原子所锚定，形成柯氏气团。为了使形变继续进行，必须开动新的位错，结果钢中在给定的应变下，位错密度增高，导致强度升高和韧性降低。为了消除碳钢的蓝脆，钢中加入一定量强碳化物和氮化物形成元素如钛、铌、钒，在钢中形成Tic、TiN、NbC、NbN、vC、vN，将碳、氮原子固定。另外加入少量铝，除脱氧外，还与氮形成AlN，也可减少蓝脆倾向。蓝脆发生在合金元素很低的退火或正火的低合金钢中。

目前三十页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素1.3重结晶:固态金属及合金在加热(或冷却)通过相变点时，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。1.3.1重结晶脆性是由于变形时存在两相区，而两相的变形能力不一致造成的。1.3.2就是说，在不同温度条件下，材料的韧性是不同的，处于脆性区域，其韧性则要低。目前三十一页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素2、动载荷与静载荷下的蓝脆的温度：碳钢和某些合金钢在静拉伸时，蓝脆的温度范围为230-370℃；在冲击载荷作用下，蓝脆最严重的温度范围为525-550℃。原因：在冲击载荷作用下，形变速率较高，碳、氮原于需要在较高温度下才能获得足够的扩散激活能，以形成柯氏气团，故蓝脆温度升高。目前三十二页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素3.加载速率的影响

提高加载速率，材料的屈服点提高，使材料脆性增大，韧脆转变温度tk提高。

中、低强度钢的韧脆性对加载速率比较感，高强度钢和超高强度钢的韧脆性则对加载速率的敏感性较小目前三十三页\总数六十五页\编于十五点应变硬化（形变硬化）一般金属发生塑性形变后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。，这种现象称为应变硬化或加工硬化。

应变硬化是材料阻止继续塑性变的一种力学性能，绝大多数金属和高分子材料具有应变硬化特性，这种特性在材料的加工和应用中具有十分重要的意义。应变硬化机理：金属材料普遍认为是塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。在多系滑移过程中，由于位错的交互作用，形成割阶、Lomer-Cottrell位错锁和胞状结构等障碍，使位错运动的阻力增大，而产生应变硬化。在交滑移过程中，硬化主要是由于原滑移面中刃位错引起的。因为刃位错不能产生交滑移，因而随应力增加，刃位错密度增大，产生应变硬化。刃位错的柏氏矢量和位错线垂直。目前三十四页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素

4.试样性状和尺寸的影响4.1.缺口影响：缺口曲率半径越小，冲击功越小，因此，V型缺口试样的冲击功低于U型试样的。同样加载速率下，有缺口时，加载速率可呈现出加倍的影响。因为此时有应力集中的影响，应变速率比无缺口高得多，从而大大地降低了材料的局部塑性。。

4.2.试样宽度(或厚度)影响：当不改变缺口尺寸而只增加试样宽度(或厚度)时，冲击功降低。这是出于试样尺寸增加时应力状态变硬，且缺陷几率增大，故脆性增大。目前三十五页\总数六十五页\编于十五点影响冲击韧性的因素—外部因素检测设备运行状态的影响：目前三十六页\总数六十五页\编于十五点冲击试验机分类冲击试验机是测定材料冲击韧度的专用设备。1、按冲击方式分为落锤式、摆锤式、回转式冲击试验机。2、按受力方式分为弯曲冲击、拉力冲击和扭转冲击试验机应用最广的是摆锤式和落锤式冲击试验机目前三十七页\总数六十五页\编于十五点摆锤冲击试验机原理目前三十八页\总数六十五页\编于十五点摆锤冲击试验机原理目前三十九页\总数六十五页\编于十五点冲击荷载动响应检测

方法原理：能量法---机械能守恒

在冲击物与受冲构件的接触区域内，应力状态异常复杂，且冲击持续时间非常短促，接触力随时间的变化难以准确分析。工程中通常采用能量法来解决冲击问题，即在若干假设的基础上，根据能量守恒定律对受冲击构件的应力与变形进行偏于安全的简化计算。目前四十页\总数六十五页\编于十五点冲击荷载动响应检测常用标准试样的冲击吸收能量表示。夏比U形缺口---KU2在2毫米摆锤刀刃半径下的冲击吸收能夏比V形缺口---KV8在8毫米摆锤刀刃半径下的冲击吸收能单位为焦耳（J）。目前四十一页\总数六十五页\编于十五点传统冲击试验的缺陷1、只能测冲击功，而且所测的冲击功缺乏明确的物理意义。不能作为表征金属构件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据，只能相对近似地表征金属抵抗已发生断裂的扩展能力。目前四十二页\总数六十五页\编于十五点传统冲击试验的缺陷2、冲击功不能代表试样断裂的吸收功冲断试样消耗的总功可以分为两部分：、1、消耗在试样的变形及断裂2、消耗在试样的抛出和轴的摩擦、机座的震动。冲击功为上面所有项目之和。注：由于2项占比较小，可以近似为‘等于试样断裂所吸收的能量。但是要合理选择摆锤，如果打摆锤冲击小能量的试样，误差就很大目前四十三页\总数六十五页\编于十五点传统冲击试验的缺陷3不能反映材料的韧脆差别:如图，三种材料的冲击功相同，但是三种材料具有本质差别：材料1：典型脆性材料材料2：具有一定的韧性，为半脆性材料。材料3：韧性材料目前四十四页\总数六十五页\编于十五点示波冲击试验机20世纪60-70年代，人们就企图利用示波冲击试验机测定冲击力—位移曲线和能量—位移曲线，从根本上解决冲击物理意义不明确的问题。但是由于技术限制，数据采集速率的问题，采集的点太少，曲线失真。目前示波冲击试验机技术已经成熟，最新的数据采集速度可达到4M。我中心的示波冲击试验机是ZIWIK2000年的产品，采集速度1M.目前四十五页\总数六十五页\编于十五点设备外形目前四十六页\总数六十五页\编于十五点设备的主要特点设备通过光栅角度传感器和安装在锤头上的力值传感器，在锤头冲击试样的瞬间高速采样，将整个冲击动态过程记录下来，并计算冲击速度、挠度及冲击能量，从而得出材料的特征曲线，更深入细致的分析材料的冲击力学性能，判断材料的应用范围，被广泛应用。目前四十七页\总数六十五页\编于十五点设备的主要性能该设备配有两个锤头，打击能量分别为150J和300J，冲击速度为5.42米/秒，主机配有模拟盘，可以直接读数，测试时间小于5秒，通过存储记录仪也可将数据传到计算机，通过软件，实现冲击值显示，力-时间，能量-时间的显示，通过积分等计算，还可以实现力-位移，能量-位移等数值的图表的现实。目前四十八页\总数六十五页\编于十五点设备的主要功能

可以通过特征曲线，分析冲击载荷下金属实时变形和断裂的特征冲击力------时间曲线冲击能量------时间曲线冲击力-------位移曲线冲击能量-------位移曲线可以更高精度的测试冲击韧性

目前四十九页\总数六十五页\编于十五点示波冲击试验机实际波形目前五十页\总数六十五页\编于十五点示波冲击试验机实际波形目前五十一页\总数六十五页\编于十五点示波冲击试验机实际波形目前五十二页\总数六十五页\编于十五点示波冲击特征值拟合目前五十三页\总数六十五页\编于十五点冲击试验的宏观断口在冲击力的作用下，试样的大力过程与静拉伸一样，仍然表现为弹性变形、塑性变形和断裂，其不同在于变形速度，由于缺口的存在，塑性变形只是发生在缺口的局部范围，而且缺口越尖锐，参与塑性变形的材料体积越小，得到的冲击功越低。下图为典型冲击试样断口的宏观形态，一般分为3个区。目前五十四页\总数六十五页\编于十五点断口分析与示波曲线关系目前五十五页\总数六十五页\编于十五点冲击试验的宏观断口--纤维区

曲线上Fgy之前为弹性阶段，从Fgy开始，试样进入塑性变形和形变强化阶段，当载荷达到Fm时，塑性变形已贯穿整个缺口截面，缺口根部开始横向收缩，横截面减小，试样承受载荷能力降低，载荷下降，在Fm附近试样内部萌生裂纹，由于缺口根部位三向应力状态，因此裂纹萌生于距缺口一定距离的试样内部，裂纹形成后，向两侧宽度方向和前方深度方向扩展，在裂纹扩展过程中，载荷下降，载荷达到Fiu时，裂纹已经扩展到缺口根部的整个宽度，中间部分较深，形成缺口前方的脚跟形的纤维区。目前五十六页\总数六十五页\编于十五点冲击试验的宏观断口---放射区放射区：当纤维区的裂纹尺寸增大到临界尺寸，裂纹在Fiu点开始快速扩展，形成放射区，其断口形貌为以纤维区为中心呈放射状，与此对应载荷陡降到Fa。目前五十七页\总数六十五页\编于十五点冲击试验的宏观断口---剪切唇剪切唇：此时裂纹前沿已进入试样的压应力区，尚未断裂的截面积，已经比较小，与两侧一样已处在平面应力状态下，变形比较自由，形成二次纤维区和剪切唇。相应的载荷由Fa降到零，其断口特征为表面光滑，与拉应力约成45度。目前五十八页\总数六十五页\编于十五点力学特征值能量特征值：1、最大力能量Wm（弹性变形和塑性变形能量之和）力—位移曲线下从S=0到S=Sm的面积2、不稳定裂纹扩展起始能量Wiu力—位移曲线下，从S=0到S=Siu的面积3、不稳定裂纹扩展终止能量Wid力—位移曲线下，从S=0到S=Sa的面积4、总能量WT力—位移曲线下，从S=0到S=St的面积5、屈服能量We：力—位移曲线下从S=0到S=Sqy的面积目前五十九页\总数六十五页\编于十五点材料冲击能量特征值的物理意义影响材料韧脆性的三个内在能量指标：材料韧脆性与材料的裂纹萌生功、扩展功和吸收的总能量有关：裂纹萌生功We+Wd：裂纹萌生与缺口处一定范围的弹性、塑性变形有关，此前消耗的能量，代表裂纹萌生所要消耗的能量。称为裂纹形成功。它是缺口处弹性变形和塑性变形消耗功的总和。

注：起裂功一般认为弹性变形和塑性变形之和为起裂功，但是弹塑性材料在Fm之前起裂。裂纹萌生功反映了裂纹生成的难易和快慢，它取决于材质原子间的结合力与材质的滑移系的多少。从安全角度考虑，裂纹形成功大一些，使裂纹形成消耗更多能量，有利于安全性。；目前六十页\总数六十五页\编于十五点材料冲击能量特征值的物理意义裂纹扩展功Wp1：裂纹扩展同裂纹形成一样都需要时间，裂纹扩展功反映了有裂纹的试样在冲击力的作用下，裂纹扩展