材料分析技术(示波冲击试验)

现代材料分析技术《示波冲击试验》*一．材料的断裂行为断裂是材料在外力作用下丧失连续性的过程，是工程构件的主要破坏形式。断裂可分为三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展和失稳断裂材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。*1．韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。*2．脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。防止脆断一直是人们研究的重点。*3．脆性断裂的原因在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大时，尤其在那些高度应力集中的特征点(例如内部和表面的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应力为平均应力的数倍时，此过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。虽然与此同时，由于外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。因此，断裂源往往出现在材料中应力集中度很高的地方，并选择这种地方的某一个缺陷(或裂纹、伤痕)而开裂。

*韧性又分断裂韧性和冲击韧性两大类。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；（已经讲过）冲击韧性则是对材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。本章重点介绍材料的冲击韧度二、材料的冲击韧度*1、冲击韧度的定义实践中发现，材料的力学性能有时与变形速率有关。一般相对变形速率在10-4～10-2秒范围时，性能变化不明显，可按静载处理；若相对变形速率大于10-2／秒，性能将发生显著变化。变形速率增大，则韧性下降，材料变脆。许多机器零件在工作时要遇到冲击载荷：火车开车、刹车、改变速度时，车辆间的挂勾要受到冲击；还有些机械就是利用冲击负荷工作的，如锻锤、冲床、凿岩机等。因此了解材料承受冲击负荷的能力十分必要。*冲击韧性为材料单位面积所吸收的冲击功，常用ak表示

.*2、冲击韧度的应用①冲击功对材料的宏观缺陷、显微组织的差异等非常敏感，长期以来有效地用来检定钢材质量和判断冶金、加工和热处理规程的适宜性，籍以控制和稳定产品质量。②冲击功对温度十分敏感，通常从低温到高温进行冲击系列试验，测定韧脆转变趋势和转变温度。为防止金属构件的冷脆、蓝脆及重结晶脆性，并能大致估算出构件容许工作温度，可提供一种经验性判据。*③由于冲击试验测出的冲击功对缺口非常敏感，因此用来评定金属对大能量一次载荷的缺口敏感性。④多年来常用冲击试验测定钢材时效前后的冲击功，确定钢材的时效敏感性。⑤由于冲击试验设备简便，试样加工容易，试验时间短。*3、实验方法

冲击试验机是测定材料冲击韧度的专用设备。按冲击方式可分为落锤式、摆锤式和回转圆盘式冲击试验机；按受力状态可分为弯曲（包括简支梁式弯曲和悬臂梁式弯曲）冲击、拉力冲击和扭转冲击试验机。应用最广泛的是摆锤和落锤式冲击试验机。*1）摆锤冲击试验原理

*它是利用摆锤冲击试件前后的能量差，来确定冲断该试件所消耗的功Ak，该冲击功Ak，通常可从试验机的度盘上直接读取。冲击韧性为材料单位面积所吸收的冲击功，常用ak表示

*2）落锤冲击试验原理落锤试验机是在已知力学约束条件下测量材料对固有断裂扩展的抗力。其主要的特点是：冲击能量大、结构简单、紧凑冲击能量可以通过控制落锤提升高度和落锤重量大小来进行变化。*落锤试验机的基本原理是利用锤头的自由落体运动，测量试样冲击前后的势能差值。实质就是一个能量转化过程：电动能→势能→动能→试样破坏能量。

本质上通过测试落锤冲击前的速度Vmax的测试，落锤冲击试样后的速度Vmin，确定材料的冲击功Ak。根据材料的不同，可以通过调整落锤重量、冲击高度和冲击速度，测试不同材料的冲击韧度。*3）常用冲击试样所用试样如图所示，几种不同试样的区别在于缺口的形状不同。同种材料，试样的缺口越深，越尖锐，塑性变形的体积越小，冲击功越小，材料就越脆。因此，不同类型和尺寸试样的冲击值不能相互比较。*三、示波冲击试验1、传统冲击实验的缺陷1）测出的冲击性能单一。只能测冲击功，而且所测的冲击功缺乏明确的物理意义，不能作为表征金属结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己发生断裂的再扩展能力。*2）冲击功不能代表试样断裂前的吸收总功。因为冲断试样消耗的总功可以分为两个部分：其一，消耗在试样的变形及断裂：其二，消耗在试样的抛出功、机座本身的震动、轴的摩擦等。因此，冲击功为：Ak＝试样断裂吸收的能量+试样抛出功十机座震动十轴摩擦……一般情况下，由于后面几项很小，可近似地认为‘等于试样断裂所吸收的能量。但是对于很脆的材料，必须注意不能用大能量摆锤进行试验。因为公式中第一项很小，而后几项相对增大，因此会出现较大的测量误差。*3）不能充分反映材料的韧脆差别如右图所示，三种材料的冲击功相同，但三种材料具有本质型差别：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*2、示波冲击试验功是物体在力作用下沿力的作用方向产生的位移与力的乘积。那么冲击力一位移曲线下的面积就等于冲断试样所消耗的冲击功。20世纪60~70年代就企图利用示波冲击机测定冲击力一位移曲线分解冲击功，从根本上解决冲击功物理意义不明确的问题。目前示波冲击技术已经基本成熟。*1）示波冲击试验的典型曲线和特征值

（1）特征曲线：

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

*冲击曲线类型：A、B型：

A型：在最大力前不存在屈服力，只产生不稳定裂纹扩展；

B型：有少量稳定扩展。*C、D、E型：在最大力之前存在塑性变形，其后有裂纹稳定扩展和不稳定扩展。根据裂纹稳定扩展和不稳定扩展所占比例不同分为C、D、E型：。**（2）力学特征值：

a：屈服力Fy：力—位移曲线上第二个峰急剧上升部分与拟合曲线的交点所对应的力。b：最大力Fm：穿过振荡曲线的拟合曲线上最大力。*c：不稳定裂纹扩展起始力（启裂力）Fiu：拟合曲线与最大力之后曲线急剧下降开始时的交点所对应的力。如果该点与最大力重合，则Fiu=Fmd：不稳定裂纹扩展终止力（止裂力）Fa：力—位移曲线下降终止时与其后的力—位移拟合曲线的交点所对应的力*(3)位移特征值屈服位移Sy最大载荷位移Sm启裂对应位移Sid止裂力对应位移Sa总位移St*(4)能量特征值最大力时的能量Wm

：力—位移曲线下,从S=0到S=S

m

的面积;不稳定裂纹扩展起始能量Wiu:

力—位移曲线下,从S=0到S=S

id的面积;不稳定裂纹扩展终止能量Wa:

力—位移曲线下,从S=0到S=Sa

的面积;总冲击能量Wt:

力—位移曲线下,从S=0到S=St

的面积。*2）材料的冲击能量特征值的应用（1）影响材料韧脆性的三个内在能量指标材料的韧脆性与材料的裂纹萌生功、扩展功以及吸收的总能量有关:裂纹萌生功Wi

：裂纹形成功Wi反映了裂纹形成的难易和快慢,它取决于材质的原子间结合力和材质的滑移系的多少。尽管冲击速度很快,使塑性变形不均匀,由于某些金属的滑移系、滑移面原子密度和滑移方向原子数目较多时,但塑性变形仍然会产生。塑性变形从一处转移到另一处会使变形增加,同时产生形变硬化,使冲击力增强,因而导致冲击裂纹形成功增加。从安全可靠角度分析,希望裂纹形成功大一些,使形成裂纹之前消耗能量增加,因此增加了构件的安全性。*裂纹扩展功Wp

：裂纹扩展同裂纹形成一样需要时间。裂纹扩展功Wp

反映了具有裂纹的试样在冲击力的作用下裂纹扩展的快慢，表征了阻止裂纹扩展的能力。裂纹稳定扩展功大,说明裂纹扩展比较慢,说明材料的韧性越好。冲击韧性的大小,主要取决于裂纹的扩展功,尤其是裂纹稳定扩展功。

因而在分析冲击试验结果时,把裂纹扩展功的大小看得很重要。*总冲击能量Wt

：在一些特殊条件下服役的机件(如炮弹,装甲板)均承受大能量冲击,这时总冲击能量Wt

值就是一个很重要的性能指标。对于一些承受大能量冲击的机件,Wt值也可以作为一个结构性能指标使用,以防止发生脆断。*(2)各种能量指标的确定关于裂纹形成能量及裂纹扩展能量,理论上认为裂纹在最大力时形成。当冲击力达到最大力时,裂纹在冲击试验缺口处形成,因此把冲击最大力作为裂纹形成的依据:最大力之前所消耗的能量称为裂纹形成能量——裂纹萌生功Wi:力—位移曲线下,从S=0到S=Sm的面积,即Wi≈Wm;最大力之后所消耗的能量称为裂纹扩展能量——裂纹扩展功Wp：力—位移曲线下,从S=Sm

到S=S

t的面积,即Wp=Wt-Wi。*为了便于分析,将力—位移曲线下的面积,以力特征值为界分为5个部分,称为基本能量单元:（1）We:弹性变形功（2）Wd：弹塑性变形功（3）WPl裂纹稳态扩展功（4）WP3裂纹撕裂能量（5）WP2裂纹剩余扩展功*标准中给出的能量由上述5个部分组成:裂纹萌生功Wi

Wi=

Wm=We+Wd不稳定裂纹扩展起始能量Wiu

Wiu=We+Wd+Wp1=Wi+Wp1不稳定裂纹扩展终止能量Wa

Wa=We+Wd+Wp1+Wp3=Wi+Wp1+Wp3裂纹扩展功Wp：

Wp=稳态扩展功（Wp1）+失稳扩展功（Wp2+Wp3）总冲击能量Wt

：

Wt=We+Wd+Wp1+Wp2+Wp3=Wi+Wp*（3）能量特征值的应用实例对于不同材料，其冲击功Wt可能相等，但是它们的弹性变形功We、塑性变形功Wd及裂纹扩展功Wp所占的比例相差可能很大，从而表现出它们之间的韧脆性不同。冲击力一位移曲线可以反映出它们在冲击性能上的差异。*材料1：弹性功所占的比例很大，塑性变形功很小，裂纹扩展功几乎为零。说明材料断裂前塑性变形很小，裂纹一旦形成，就立即扩展直至断裂，显示出材料的脆性。*材料2：弹性变形功比前者小，塑性变形功增加，裂纹扩展功也有一定的增加，当裂纹发展到一定尺寸时产生失稳扩展，表现出材料的半脆性性质。材料3：弹性变形功较小，塑性变形功增加，裂纹产生后发生缓慢地扩展，直至断裂也不存在失稳，充分显示出材料具有很好的韧性性质。*3)示波冲击试验的应用前景（1）表面强化效应的研究。由于冲击时试样缺口截面上受力是不均匀的，缺口处受拉应力，缺口根部拉力最大。如果缺口表面状态有变化，例如喷丸、镀层、滚压或者渗碳等均会使表面强化并且产生压应力，而腐蚀会使表面弱化，那么冲击试验对其强化或弱化效果会很敏感，使冲击力或者冲击能量增加或减少。（2）对冶金质量及热处理工艺缺陷进行定量检验。把具有使用价值的冲击力、位移、裂纹形成功及扩展功等冲击性能，作为检验依据以评定缺陷的严重程度，分析其形成原因。*（3）对材料的韧脆转变的评估。因为裂纹扩展功在转变过程中变化显著，不仅能够给出定量评估指标，而且能从微观形态和宏观断口上进行分析。（4）材料的韧脆程度将会以韧性断面率来衡量。同一种材料不同状态的韧性断面率可以进行比较。（5）宏观断口与所测出的冲击力或冲击功参数之间的研究，会使您走出FATT测试困难的困境。（6）在动态断裂力学中，用冲击方法测动态断裂韧度KID和JID变成很容易。（7）它使冲击拉伸试验不再是难题，可以像静拉伸一样，测出各种参数及性能指标。*（8）对焊接件及其性能的研究提供更多的冲击试验数据，翻开焊接质量评估和检测方法新的一页。（9)对非金属材料而言，特别是对高聚物或高分子材料，由于冲击强度与温度、湿度、加载速度及试样的几何形状等关系很大，示波冲击试验机测出的多种性能参数，将为之提供更多的可分析研究的数据，促进其发展。**.*注意：冲击能量、冲击速度的调整范围与落锤重量有关，也会影响落锤的高度，一般：对重量轻的落锤，升高冲击速度或冲击能量需要升高较高的冲击高度，如果调整不当，有可能超过机器规定的高度极限。*5）应用范围广既可以用于黑色金属，有色金属、金属基复合材料的冲击韧度试验，也可用于塑料、陶瓷等高分子材料、无机非金属材料的冲击韧度试验。6）可以采用CHARPYU型和V型冲击试样（简支梁），IZOD冲击试样（悬臂梁），盘状试样（用于陶瓷、塑料的穿透试验）7）具有良好的安全保险功能。*2、试验机的主要组成机架助力弹簧控制箱和控制面板落锤冲击头压力传感器卡具控制箱信号处理器计算机打印机**3、