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,從而使得到保證。
韌性指標(biāo)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(yīng)用廣泛的一種傳統(tǒng)力學(xué)試驗。
缺口沖擊韌度實驗是綜合運用了缺口、低溫及高應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi),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。
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