金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法介紹

1、核電石化事業(yè)部核電石化事業(yè)部2012年年3月月一、夏比擺錘沖擊試驗簡介一、夏比擺錘沖擊試驗簡介二、二、GB/T229-2007解讀解讀三、回火脆轉(zhuǎn)變溫度三、回火脆轉(zhuǎn)變溫度四、沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)對比四、沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)對比缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)實際生產(chǎn)中的機件，絕大多數(shù)都不是截面均勻而無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋、退刀槽及焊縫等，這種截面變化的部位可視為“缺口”。由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂“缺口效應(yīng)”，從而影響金屬材料的力學(xué)性能。缺口效應(yīng)主要產(chǎn)生以下兩方面影響：缺口效應(yīng)主要產(chǎn)生以下兩方面影響：1.在缺口根部引起應(yīng)力集中，并改變?nèi)笨?/p>

2、前方的應(yīng)力狀態(tài)；2.使塑性材料強度提高，塑性降低，即所謂的“缺口強化”。 需要指出的是，缺口強化并不是金屬內(nèi)在性能發(fā)生變化，純粹是由于三向拉伸應(yīng)力約束了塑性變形所致。無論是脆性材料還是塑性材料，其機件上的缺口都因造成兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而產(chǎn)生變脆傾向，降低了使用的安全性。 沖擊試驗沖擊試驗一種動態(tài)力學(xué)性能試驗，主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。(加載速度) 沖擊試驗機（擺錘式和落錘式） ：手動沖擊試驗機、半自動沖擊試驗機、全自動沖擊試驗機。 根據(jù)試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗分為彎曲沖擊試驗、扭轉(zhuǎn)沖擊試驗和拉伸沖擊試驗三種。橫梁式彎曲沖擊試驗法（charpy

3、）操作簡單，應(yīng)用最廣。在工程上主要是用它評定冶金質(zhì)量和加工工藝質(zhì)量，以及測定韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。 為表征加載速率和缺口效應(yīng)對金屬材料韌性的影響，需要進行缺口試樣的沖擊彎曲試驗。夏比沖擊試驗(Charpy Impact Test)是用以測定金屬材料抗缺口敏感性(韌性)的試驗。制備有一定形狀和尺寸的金屬試樣(通常為101055mm)，使其具有U形缺口或V形缺口，在夏比沖擊試驗機上處于簡支梁狀態(tài)，以試驗機舉起的擺錘作一次沖擊，使試樣沿缺口沖斷，用折斷時擺錘重新升起高度差計算試樣的吸收功，即為Aku(U型缺口)和Akv(V型缺口)?？稍诓煌瑴囟认伦鳑_擊試驗。吸收功值(焦耳)大，表示材料韌性好，對結(jié)構(gòu)中的缺

4、口或其他的應(yīng)力集中情況不敏感。 夏比沖擊試驗常采用簡支梁沖擊，以擺錘沖擊試樣前后的能量差來計算出沖擊強度。夏比沖擊試驗應(yīng)用夏比沖擊試驗應(yīng)用作為韌性指標(biāo)，為設(shè)計選材和研制新型材料提供依據(jù)檢查和控制冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督熱加工工藝質(zhì)量評定材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化趨勢確定應(yīng)變時效敏感性缺口敏感性指標(biāo)。 夏比沖擊試驗結(jié)果分散性相對大的原因來自兩方面：試驗因素；材料結(jié)構(gòu)。 從試驗角度看，由于沖擊試驗是在動態(tài)力作用下進行的，因此影響試驗結(jié)果正確性和分散性的因素很多，試驗方法標(biāo)準(zhǔn)化的目的就是對各種影響沖擊試驗結(jié)果的因素進行限定，以得到準(zhǔn)確的和可比較的試驗結(jié)果。一、范圍 規(guī)定了測定金屬材料在夏比沖擊試驗中吸收能量

5、的方法，適用于V型和U型缺口試樣。 不包括儀器化沖擊試驗方法，因為已有GB/T197482005鋼材 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗 儀器化試驗方法。二、規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。 GB/T 3808 擺錘式?jīng)_擊試驗機的檢驗 GB/T 2975 鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備 GB/T 8170 數(shù)值修約規(guī)則 JJG 145 擺錘式?jīng)_擊試驗機檢定規(guī)程三、術(shù)語實際初始勢能 KP對試驗機直接檢驗測定的值。吸收能量K由指針或其他指示裝置示出的能力值 KV2 、 KU2 2mm錘刃的沖擊值。 KV8 、 KU8 8mm錘刃的沖擊值。試樣的幾何尺寸n沖擊吸收功

6、：規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功n脆性斷面率：脆性斷口面積占試樣斷口總面積的百分率n沖擊吸收功-溫度曲線：在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功與試驗溫度的關(guān)系曲線n韌脆轉(zhuǎn)變溫度：在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域四、符號五、原理 將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗機兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測定試樣的吸收能量。 由于大多數(shù)材料的沖擊值隨溫度變化，因此試驗應(yīng)在規(guī)定溫度下進行。 高溫沖擊試驗 低溫沖擊試驗 室溫沖擊試驗 六、試樣 標(biāo)準(zhǔn)尺寸沖擊試樣長度為55mm，橫截面為10mm10mm，在試樣長度中間

7、有V型和U型缺口。備用尺寸試樣可使用寬度分別為7.5mm，5mm，2.5mm的小尺寸試樣。V型缺口夾角為45，深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm，U型缺口深度為2mm或5mm，底部曲率半徑為1mm。應(yīng)注意以下幾點：對于低能量沖擊試驗需要使用墊片；除端面外其余表面粗糙度優(yōu)于5m；缺口根部沒有影響吸收能的加工痕跡；缺口對稱面垂直于試樣縱向軸線；試樣標(biāo)記應(yīng)遠離缺口，不應(yīng)標(biāo)在與支座，砧座或擺錘刀刃接觸的面上。焊接沖擊試樣焊接接頭取樣方法：焊接接頭沖擊試驗時，試樣缺口位置應(yīng)按要求開在焊縫、熔合線或熱影響區(qū)，缺口軸線應(yīng)垂直焊縫表面。焊接接頭沖擊試樣的熱影響區(qū)缺口位置：其缺口軸線與熔合線的距離t應(yīng)由產(chǎn)

8、品技術(shù)條件規(guī)定焊縫金屬沖擊試樣熱影響區(qū)沖擊試樣缺口在焊縫、熔合線或缺口在焊縫、熔合線或HAZ的位置的位置試樣的尺寸及偏差應(yīng)滿足下表：七、試驗設(shè)備1.所有測量儀器應(yīng)符合國家或國際標(biāo)準(zhǔn)；2.所有儀器應(yīng)在合適的周期內(nèi)進行校準(zhǔn)；3.試驗機應(yīng)按照GB/T 3808或JJG 145進行安裝及檢驗；4.擺錘刀刃半徑應(yīng)參考相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。我公司沖擊試驗機：我公司沖擊試驗機：JBW-500GD屏顯式?jīng)_擊試驗機 ZBC系列微機式金屬擺錘沖擊試驗機 我公司沖擊試驗機：我公司沖擊試驗機：ZBC系列微機式金屬擺錘沖擊試驗機 八、試驗程序一般要求一般要求:試驗前檢查砧座跨距，保持在40+0.2mm以內(nèi)；試驗前檢查擺錘空打時

9、的回零差或空載能耗(0.1%)；試樣緊貼試驗機砧座，錘刃沿缺口對稱面打擊缺口背向，試樣缺口對稱面偏離兩砧座間的中點不應(yīng)大于0.5mm。試驗溫度：試驗溫度： 應(yīng)在規(guī)定溫度2內(nèi)試驗，如對溫度沒有規(guī)定，應(yīng)在235范圍進行。嚴格了室溫沖擊溫度適用范圍。冷卻介質(zhì)溫度在規(guī)定溫度1內(nèi)，液體介質(zhì)保溫時間至少為5min，氣體介質(zhì)至少為20min。液體介質(zhì)中利用網(wǎng)柵存放試樣，網(wǎng)柵至少高于容器底部25mm，液體浸過試樣的高度至少為25mm，試樣據(jù)容器側(cè)壁至少10mm，連續(xù)均勻攪拌介質(zhì)使溫度均勻。氣體介質(zhì)應(yīng)注意試樣據(jù)低溫裝置內(nèi)表面及試樣間保持足夠的距離。高溫沖擊試驗：低于200時在規(guī)定溫度2內(nèi)保溫至少10min；低于

10、200時在規(guī)定溫度5內(nèi)保溫至少20min；試驗保溫介質(zhì)試驗溫度,介質(zhì)200空氣加熱20035高溫油100水+冰0-70乙醇+干冰 -70-105 無水乙醇+液氮 -105-192 液氮 試樣轉(zhuǎn)移對高低溫沖擊試驗規(guī)定試樣從裝置中移出至打斷時間應(yīng)不大于5秒。使用V型缺口自動對中夾鉗轉(zhuǎn)移試樣，與試樣一起保溫。為保證試樣在打擊瞬間溫度處于規(guī)定范圍，建議采用過冷或過熱法補償溫度損失值。試驗機能量范圍試驗機能量范圍試樣吸收能量不應(yīng)超過實際初始勢能的80%，如果試樣吸收能量超過此值，在試驗報告中應(yīng)報告為近似值并注明超過試驗機能力的80%。試樣未完全斷裂對于試樣試驗后沒有完全斷裂，可以報出沖擊吸收能量，或與完

11、全斷裂試樣結(jié)果平均后報出。由于試驗機打擊能量不足，試樣未完全斷開，吸收能量不能確定，試驗報告應(yīng)注明用J的試驗機試驗，試樣未斷開。試樣卡錘試樣卡錘如果試樣卡在試驗機上，試驗結(jié)果無效，應(yīng)徹底檢查試驗機，否則試驗機的損傷會影響測量的準(zhǔn)確性。斷口檢查和結(jié)果讀取斷口檢查和結(jié)果讀取試樣標(biāo)記不能在明顯變形部位；沖擊吸收能量結(jié)果至少估讀到0.5J，至少保留兩位有效數(shù)據(jù)。不同類型和尺寸試樣的試驗結(jié)果不能直接對比和換算。試驗報告必要內(nèi)容必要內(nèi)容 標(biāo)準(zhǔn)編號； 試樣相關(guān)資料； 缺口類型； 試樣尺寸； 試驗溫度； 吸收能量類型KV2，KU8等； 影響試驗的異常情況?？蛇x內(nèi)容可選內(nèi)容 試樣取向 試驗機標(biāo)稱能量 纖維面積

12、側(cè)膨脹值 轉(zhuǎn)變溫度 未完全斷裂試樣數(shù)側(cè)膨脹值測量用缺口根部的變形量來分析材料抵抗三軸應(yīng)力斷裂的能力。斷面相對側(cè)的膨脹量代表壓縮量（由于壓縮變形測量困難）。側(cè)膨脹值=斷面兩側(cè)最大膨脹值之和。測量儀器：游標(biāo)卡尺和圖像分析儀。斷口形貌測量沖擊試樣斷口上有纖維區(qū)、放射區(qū)（結(jié)晶區(qū)）和剪切唇。不同溫度下，上述三個區(qū)的相對面積不同；結(jié)晶區(qū)的面積隨溫度變化而變化，一般結(jié)晶區(qū)面積百分比增大表示材料變脆。 斷口形貌測量 宏觀：纖維區(qū)灰大小 微觀：韌窩大小與深淺 穿晶斷裂 解理面（晶面）斷裂斷口形貌測量 剪切斷面率用來評定沖擊試樣的斷口表面。其值越高，材料的韌性越好。大多數(shù)夏比沖擊試樣的斷口形貌為剪切和解理斷裂的混

13、合狀態(tài)。通常使用以下方法測定纖維斷面率：a) 測量斷口晶狀斷裂部分（即“閃亮”部分）的長度和寬度，查表計算纖維斷面率；b) 使用圖示的斷口形貌卡與試樣斷口進行比較；c)將斷口放大，并與預(yù)先制好的對比圖進行比較，用求積儀測量的纖維斷面率（100%）減去晶狀斷面率計算；d)斷口拍成放大照片，用求積儀測量纖維斷面率（100%）減去晶狀斷面率計算；e)用圖像分析技術(shù)測量纖維斷面率。低溫脆性低溫脆性體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體珠光體鋼），在試驗溫度低于某一溫度tk時，會由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)?/p>

14、穿晶解理，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是所謂的低溫脆性現(xiàn)象。金屬的低溫脆性是由于金屬的屈服強度隨溫度降低而升高造成的。韌脆轉(zhuǎn)變曲線韌脆轉(zhuǎn)變曲線研究低溫脆性的主要問題是確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度。試驗方法：將試件冷卻到不同溫度測定沖擊功AK，得到斷口形貌特征與溫度的關(guān)系曲線，然后按照一定的方法確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變溫度tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，也稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度，面心立方金屬及其合金一般沒有低溫脆性現(xiàn)象。由于材料化學(xué)成分的統(tǒng)計性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度實際上不是一個溫度而是一個溫度區(qū)間。韌脆轉(zhuǎn)變曲線韌脆轉(zhuǎn)變曲線沖擊吸收能量與溫度曲線（KV-T曲線）表明，對于給定形狀的試樣，沖擊吸收能量是試驗溫度的函數(shù)，如圖所示。通

15、常曲線是通過擬和單獨的試驗點得到的。曲線的形狀和試驗結(jié)果的分散程度取決于材料、試樣形狀和沖擊速度。出現(xiàn)轉(zhuǎn)變區(qū)的曲線，具有轉(zhuǎn)變區(qū)(1)、上平臺(2)和下平臺(3)。轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度Tt表征沖擊吸收能量-溫度曲線陡峭上升的部分。這部分一般出現(xiàn)在較寬的溫度范圍，因此應(yīng)用中轉(zhuǎn)變溫度要明確定義為一個溫度?？捎萌缦聨追N判據(jù)規(guī)定轉(zhuǎn)變溫度：a)沖擊吸收能量達到某一特定值（例如KV8=27J）的溫度；（能量）b)沖擊吸收能量達到上平臺某一百分數(shù)（例如50%）的溫度； （能量）c)纖維斷面率達到某一百分數(shù)（例如50%）的溫度； （斷口形貌）d)側(cè)膨脹值達到某一個量（例如0.9mm）的溫度； （變形能力）用

16、以確定轉(zhuǎn)變溫度的方法應(yīng)在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，或通過協(xié)議規(guī)定?；鼗鸫嘈匝芯炕鼗鸫嘈匝芯坷靡欢_擊功下的轉(zhuǎn)變溫度或斷口轉(zhuǎn)變溫度的上升量來反映發(fā)生回火脆性的材料韌性降低的現(xiàn)象，并由此來評價回火脆化程度?；鼗鸫嘈赞D(zhuǎn)變溫度的檢驗是將同件產(chǎn)品的材料,采用兩種熱處理方式進行熱處理。其中一部分材料進行調(diào)質(zhì)熱處理,為調(diào)質(zhì)態(tài);另一部分材料進行模擬熱處理稱為模擬態(tài)。調(diào)質(zhì)態(tài)與模擬態(tài)的材料在8 個不同溫度下分別進行3 個試樣的沖擊韌性試驗(采用夏氏V型缺口沖擊試樣) ,找出材料隨著溫度的降低由韌性轉(zhuǎn)變成脆性過程中沖擊功變化趨近于零的一系列試驗數(shù)據(jù)。以沖擊功作為縱坐標(biāo),溫度為橫坐標(biāo),將不同溫度的沖擊功數(shù)據(jù)標(biāo)在該坐標(biāo)系上,分別

17、連接調(diào)質(zhì)態(tài)和模擬態(tài)的數(shù)據(jù)點所得到的曲線圖形稱為回火脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線?；鼗鸫嘈匝芯炕鼗鸫嘈匝芯炕鼗鸫嘈郧€的繪制方法。該方法包括以下步驟：（）通過試驗取得步冷試驗數(shù)據(jù)即回火脆性轉(zhuǎn)變溫度試驗數(shù)據(jù)：（）對步冷試驗數(shù)據(jù)進行處理：（）對回火脆性曲線進行擬合：（）繪制回火脆性曲線。上圖為2. 25Cr-1Mo-0. 25V 鋼的回火脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線。將曲線上54J 這一點規(guī)定為回火脆性轉(zhuǎn)變的臨界點,所對應(yīng)的溫度就是調(diào)質(zhì)態(tài)和模擬態(tài)的回火脆性轉(zhuǎn)變的臨界溫度。生產(chǎn)實際為安全可靠,建立回火脆性轉(zhuǎn)變溫度一般為:夏比沖擊試驗國標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)對比夏比沖擊試驗國標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)對比標(biāo)準(zhǔn)序號國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2007美

18、國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E23-02a歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10 045-1：1990符號K：表示吸收能量 ( J )Kv2： V型缺口試樣在2mm擺錘刀口下的沖擊吸收能量Kv8： V型缺口試樣在8mm擺錘刀口下的沖擊吸收能量Ku2： U型缺口試樣在2mm擺錘刀口下的沖擊吸收能量Ku8： U型缺口試樣在8mm擺錘刀口下的沖擊吸收能量FA:：表示剪切斷面率 (%)LE：表示側(cè)膨脹值 (mm)Tt：表示轉(zhuǎn)變溫度 ()Kv2=120 J-表示V型缺口試樣-表示2mm擺錘刀口-表示試樣破裂過程吸收能量120 J沖擊吸收能量 ( J )KV300/7.5=83J-表示標(biāo)稱能量300 J -表示試樣截面寬度7.5mm-表示試樣破裂過程吸收能量83 JKU150/5=26J-表示標(biāo)稱能量150 J -表示試樣截面寬度5mm-表示試樣破裂過程吸收能量26 J試樣尺寸V型缺口試樣:55 mm10 mm10mm55 mm10 mm7.5mm55 mm10 mm5mm55 mm10 mm2.5mmV型缺口槽深2mmU型缺口試樣: 55 mm10 mm10mm55 mm10 mm 7.5mm55 mm10 mm5mmU型缺口槽深2mm