金屬系列沖擊實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)名稱：金屬系列沖擊試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康?、通過測(cè)定低碳鋼、工業(yè)純鐵和T8鋼在不同溫度下的沖擊吸收功，斷口脆性斷面率，觀察比較金屬韌脆轉(zhuǎn)變特性。2、結(jié)合夏比沖擊試驗(yàn)歸納總結(jié)降低金屬韌性的致脆因素。二、試驗(yàn)要求：按照相關(guān)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T229-1994金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法）要求完成試驗(yàn)測(cè)量工作。三、試驗(yàn)原理 本試驗(yàn)的原理為：韌性是材料承受載荷作用導(dǎo)致發(fā)生斷裂的過程中吸收能量的特性。沖擊試驗(yàn)是在高速載荷的作用下材料韌性的通用試驗(yàn)方法，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為沖擊吸收功。采用系列沖擊試驗(yàn)，即測(cè)定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，可以確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。四、試驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容1、試驗(yàn)材料與試樣本次試驗(yàn)的材料為：Q23

2、5低碳鋼、T8鋼和純鐵。本次試驗(yàn)的試驗(yàn)選擇應(yīng)依照國標(biāo)要求，試樣為缺口深度為2mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比U型缺口沖擊試樣，試樣的具體尺寸及公差如圖1所示：2、試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容與相關(guān)的測(cè)量工具、儀器、設(shè)備試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容試驗(yàn)中所需測(cè)量的物理量：低碳鋼、工業(yè)純鐵和T8鋼在不同溫度下的沖擊吸收功，脆性區(qū)各邊長度測(cè)量工具、儀器、設(shè)備1. 沖擊試驗(yàn)機(jī)JB-300B，主要性能指標(biāo)如下： 最大沖擊能量：300J 擺錘預(yù)揚(yáng)角：150° 擺軸中心至打擊中心的距離：750mm 沖擊速度：5.2m/s 試樣支座跨距：40mm 試樣支座端圓弧半徑：R1-1.5mm 沖擊刀圓弧半徑：R2-2.5mm 沖擊圓弧半徑：30°

3、 沖擊刀厚度：16mm2.杜瓦瓶3.工具顯微鏡4.溫度計(jì)3、試驗(yàn)步驟或程序1.每個(gè)人分別從樣品盒中取一塊樣品并對(duì)樣品編號(hào)以作區(qū)分。2.保溫溫度分別設(shè)有 80，室溫，0，-20，-30，-40，-60，在確定好各自樣品的保溫溫度后，用夾具正確地將樣品置于杜瓦瓶內(nèi)，讓樣品連同夾具與溫度計(jì)保溫5min以上。對(duì)于低溫試樣，使用液氮對(duì)樣品進(jìn)行降溫，低溫時(shí)的保溫時(shí)間應(yīng)從溫度低于預(yù)設(shè)值計(jì)起，當(dāng)瓶內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充液氮進(jìn)行降溫。保溫時(shí)間超過5min以后，待溫度回升至比預(yù)設(shè)值低0.5左右時(shí)，即可取出樣品。3.取出經(jīng)保溫處理的樣品，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，記錄所得沖擊功。4.觀察比較斷口形貌并記錄之

4、。5.對(duì)于非純脆斷或非純韌斷的樣品，使用工具顯微鏡測(cè)量樣品脆性區(qū)的各邊長度，求起面積，進(jìn)而得出斷口脆性斷面率并記錄下來。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理一、數(shù)據(jù)記錄1、不同溫度試樣沖擊功及斷口脆性斷面率記錄如表1、表2所示。表1 第一組系列沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)溫度/80室溫0-20-30-40-60Q235/J23215012688/828斷口解理面積%0%27%43%66%/72%100%純Fe/J/>2302486斷口解理面積%/0%100%100%100%T8/J36/13/74斷口解理面積%100%/100%/100%100%表2 第二組系列沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)溫度/80室溫0-20-30-40-60Q235/

5、J>248134145124/6211斷口解理面積%0%26%27%49%/41%100%純Fe/J/>30015.5116.5斷口解理面積%/0%100%100%100%T8/J22/10.58/73.5斷口解理面積%100%/100%100%/100%100%其中室溫取202、斷口形貌記錄本人樣品是經(jīng)-60保溫處理后沖斷的純鐵，其斷口截面的照片與示意圖如圖2，圖3所示。二、數(shù)據(jù)處理計(jì)算韌脆轉(zhuǎn)變溫度根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度可用和表示。其中，表示沖擊吸收功上下平臺(tái)區(qū)間50%所對(duì)應(yīng)的溫度。表示脆性斷面率為50%所對(duì)應(yīng)的溫度。1. Q235第一組使用Origin軟件對(duì)第一組的低碳鋼

6、沖擊功數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)擬合次數(shù)為4時(shí)，值最接近1，且為0.960，故可以認(rèn)為至少有96%的把握判定擬合曲線正確，其擬合曲線如圖4所示。圖中沒有明顯的上下平臺(tái)，故不能確定。對(duì)第一組的低碳鋼脆性斷面率數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，發(fā)現(xiàn)擬合次數(shù)為2時(shí)，值最接近1，且為0.978，故可以認(rèn)為至少有97%的把握判定擬合曲線正確，其擬合曲線如圖5所示。同時(shí)，通過Origin中的數(shù)據(jù)表，取（-9.1,50.4）與（-7.7,49.3）兩點(diǎn)近似計(jì)算出=-8.6。第二組對(duì)沖擊功數(shù)據(jù)的擬合如圖6所示，其中擬合次數(shù)為3，為0.958。圖中沒有明顯的上下平臺(tái)，故不能確定。對(duì)脆性斷面率數(shù)據(jù)的擬合如圖7所示，其中擬合次數(shù)為3，為0.813

7、。從數(shù)據(jù)表中計(jì)算得出=-36.1。由于值偏離1較大，可以認(rèn)為該組數(shù)據(jù)偏差較大。而上圖擬合較好，因此偏差出現(xiàn)的原因只能由脆性斷面率計(jì)算有誤解釋。因此，該組計(jì)算而得的FATT參考價(jià)值較低。綜合兩組數(shù)據(jù)可知，Q235的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-8.6。2. 純Fe由于數(shù)據(jù)只有4組，不對(duì)其進(jìn)行擬合。第一組溫度與沖擊功數(shù)據(jù)關(guān)系如圖8所示，從圖可知=-25。溫度與脆性斷面率數(shù)據(jù)關(guān)系如圖9所示，從圖可知=-25。第二組溫度與沖擊功數(shù)據(jù)關(guān)系如圖10所示，從圖可知=-25。溫度與脆性斷面率數(shù)據(jù)關(guān)系如圖11所示，從圖可知=-25。綜合兩組數(shù)據(jù)，純Fe的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-25。3. T8鋼第一組對(duì)沖擊功數(shù)據(jù)的擬合如圖12所示，

8、其中擬合次數(shù)為2，為0.998。圖中沒有明顯的上下平臺(tái)，故不能確定。溫度與脆性斷面率數(shù)據(jù)關(guān)系如圖13所示，從圖可知在所測(cè)溫度范圍內(nèi)為脆性斷裂，無韌脆轉(zhuǎn)變。第二組對(duì)沖擊功數(shù)據(jù)的擬合如圖14所示，其中擬合次數(shù)為2，為0.987。圖中沒有明顯的上下平臺(tái)，故不能確定。溫度與脆性斷面率數(shù)據(jù)關(guān)系如圖15所示，從圖可知在所測(cè)溫度范圍內(nèi)為脆性斷裂，無韌脆轉(zhuǎn)變。綜合兩組數(shù)據(jù)，T8鋼在所測(cè)溫度范圍內(nèi)為脆性斷裂，無韌脆轉(zhuǎn)變。六、分析與討論1. 3種材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變特性（如表3所示）表3 Q235，純Fe，T8鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變特性冷脆性Q235/-8.6較小純Fe-25-25小T8鋼/大三種鋼的

9、成分差別在于含碳量的不同，含碳量由T8鋼、Q235，純Fe依次遞減。由此可知，含碳量越高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高，冷脆性越嚴(yán)重。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，提高鋼中的含碳量，可以使其強(qiáng)度得到強(qiáng)化，但同時(shí)提高了材料的切變屈服強(qiáng)度而對(duì)影響不明顯，結(jié)果使提高，材料顯示脆性。2. 脆性斷裂、韌性斷裂的特點(diǎn)脆性斷裂：斷裂之前沒有明顯的塑性變形。斷裂過程吸收的能量很低，對(duì)過載及應(yīng)力集中很敏感。往往是一種快速斷裂。脆性斷口宏觀特點(diǎn)：斷口平齊而光亮，且與正應(yīng)力垂直；斷口呈人字或放射花樣。韌性斷裂：發(fā)生了明顯的宏觀塑性變形(不包括壓縮失穩(wěn))。往往是延性斷裂。斷裂過程吸收的能量高，減緩過載及應(yīng)力集中的影響韌性斷裂的斷口一般能尋見纖

10、維區(qū)和剪唇區(qū)。斷口尺度較大時(shí)還出現(xiàn)放射形及人字形山脊?fàn)罨y。3. 材料韌脆轉(zhuǎn)變的影響因素影響材料韌脆轉(zhuǎn)變的條件分別是：力學(xué)狀態(tài)、溫度以及應(yīng)變速率。除此以外，材料自身結(jié)構(gòu)也是一個(gè)不容忽視的因素。三向應(yīng)力狀態(tài)（如缺口附近的應(yīng)力狀態(tài)）以及低溫是大多數(shù)使用中產(chǎn)生脆性的原因，然而由于這些影響在高速加載的條件下更為嚴(yán)重，因此本次實(shí)驗(yàn)中，影響材料韌脆性的因素主要有溫度、應(yīng)變速率和缺口。隨著溫度的降低，bcc結(jié)構(gòu)的單晶Fe的臨界分切應(yīng)力與臨界解離應(yīng)力的比值逐漸增大。對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為的某一應(yīng)力狀態(tài)，較低的變形溫度導(dǎo)致升高，使<，導(dǎo)致彈性變形后直接脆性斷裂。在高載加速的條件下，由于比較高的應(yīng)力水平，在使多個(gè)位錯(cuò)源同時(shí)開動(dòng)時(shí)位錯(cuò)密度大幅度提高，致