试样长度对冲击吸收功试验的影响

试样长度对冲击吸收功试验的影响

影响吸收试验是金属工程科学考试中最重要的试验之一，是评价金属抵抗和冲击压力的基础。在试验中试样长短不影响试验机的操作,有时会出现试样过长或过短,必然影响试验结果的准确性,本文探讨了试样过长对冲击吸收功的影响。1锤冲击试验方法冲击吸收功试验广泛采用JB-300B型等人工摆放试样的试验设备(图1)。根据GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法规定,冲击试样长度为55mm,机加工偏差为±0.60mm;试样长短之间相差1.2mm目前使用的人工摆放试样的试验设备,放置试样时采用对中夹钳控制试样缺口位置(图2),对试样长度没有限制,又因试样尺寸偏差较大,在实际加工中加工人员往往忽略对试样长度的控制,为防止试样长度过小,试样加工时常常采用上差,有时试样长度会超差。2试样断裂引起的作用冲击试验中,试样所吸收的全部冲击功可以分为两个部分一是使试样变形进而断裂所需的功二是试样与摆锤及支座之间摩擦所消耗的功,其中第一部分是主要因素,第二部分的影响相对很小。摆锤冲断试样的过程可以分为以下几步。2.1缺口底部区域微裂断系任何的断裂过程都有不同程度的弹性和塑性变形阶段,摆锤接触试样的瞬间,首先在缺口根部发生弹性变形,变形超过材料的弹性极限之后发生塑性变形,当塑性变形超过断裂极限之后,在缺口根部附近最脆弱的区域率先产生微小裂纹。在这一过程中,试样的变形和裂纹产生仅仅在缺口处,试样整体上变形极为微小,可以认为试样与支座的接触情况与未冲击之前的接触情况一致,在这一过程中,试样的长短与冲击吸收的能量自然没有关系(图3)。2.2冲击功与试样高度的关系随着缺口底部产生的裂纹逐渐扩大,试样整体的变形开始显现。只要试样发生了变形,试样与支座的接触部位就只是支座的棱边,可以看到,试样与支座的接触实际上只是两条线段。这时需要分情况考虑。1)如果试样已经变脆,图4中所示的α角在很小的时候试样已经断裂,由于试样与支座的接触部位仅是支座的棱边而不是整个接触面这时试样的长短与冲击功没有关系;如果试样没有变脆,则α角较大时试样才会断裂,甚至冲击后试样并不断开,而是完整的通过支座的缺口,只有这时试样的长短才会对冲击功产生影响。这一点可以通过对冲击过的试样的观察得到验证:冲击试样在冲击后会在与支座接触的地方留下两条接触线(图5)。这两条线的深浅可以间接反映试样吸收的冲击功的大小,脆性试样的这两条直线较浅,而冲击功高的试样这两条直线较深,并且从两条直线到端面的平面上会留下摩擦的痕迹,而变脆后的试样几乎没有摩擦痕迹。2)试样越长,冲断后试样所需要进行的塑性弯曲越大,冲击吸收功就会升高。也就是说较长试样的冲击功偏高的原因在于其在冲击过程中需要更大的塑性变形,因此计算这部分偏高的冲击功的工作就变成了计算较长试样的塑性变形所需要多消耗的功的大小。3)这个冲击过程与弯曲过程较为相似,弯曲力一般采用经验公式进行近似计算,可以肯定的是,由于冲击后弯曲程度越大,弯曲力会逐渐减小,而一般弯曲时所用经验公式计算得到的弯曲力是弯曲过程中最大的力,所以计算出的冲击功的偏差肯定比实际的偏差要大,这种计算方法得到的是一个冲击功偏差的理论上的最大值。2.3试样弯曲力的计算以GB/T229-2007中“试样支座及摆锤刀刃”所规定的参数为例假设有两个冲击试样试样的长度为54.4mm(图6中用虚线表示),试样2的长度为55.6mm,其余参数完全一样,计算这两个冲击试样冲击功的差值。两个试样的中性层见图6。中性层是指在弯曲过程中长度不变的层面,这是弯曲工艺中常用的一种简化方法,有着较高的准确性。可以看到,试样2比试样1多进行了0.88mm的弯曲,则S=0.88mm。弯曲力的计算可以使用以下的经验公式:式中:F为塑性弯曲时的最大弯曲力(N);B为弯曲件的宽度B=10mm;t为弯曲材料的厚度(mm)。冲击后仍相连的试样的厚度与试样的冲击功成正比,通过观察现有的试样,一般情况下,这一厚度在0.3～2.5mm,本例中取t=1.5mm,弯曲半径r=2,材料的抗拉强度R由Q=FS,Q:功(J),F:力(N),S:位移(mm),则:Q=2758×0.88×10-3=2.43J,这种情况下的最大偏差约为2.43J。需要注意的是,因为尺寸偏差而造成的偏差值与试样的实测冲击功关系密切,冲击功越大,偏差值就越大。测量了3个冲击功分别为251J、177J、43.7J的试样在冲击后连接处的厚度值,按照上述方法计算的冲击功偏差值分别为17.0J、12.3J、1.70J,分别占到总冲击功的6.77%、6.95%和3.89%。3长度偏差的影响1)对于300J以下的冲击试样的影响,因其长度尺寸偏差而造成的冲击功的升高不会超过总冲击功的7%;冲击功在50J左右的试样,这一偏差的影响不会超过4%,并且冲击功越低,这一偏差越小;对于已经变