示波沖擊試驗機介紹

示波沖擊試驗機介紹第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三一、設(shè)備主要特點

該設(shè)備采用世界領(lǐng)先的示波沖擊分析技術(shù)，通過特有的角度傳感器和安裝在錘頭上的力值傳感器，在錘頭沖擊試樣的瞬間高頻采樣，將整個沖擊動態(tài)過程記錄下來，并計算沖擊速度、撓曲度及沖擊能量，從而得出材料的特征沖擊曲線，更深入、細致的分析材料的沖擊力學性能以進一步了解材料的特性，判斷材料的應(yīng)用范圍，因而被廣泛的應(yīng)用在建筑、橋梁、船舶、航天、汽車等科研領(lǐng)域。

建筑橋梁艦船航天第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

該設(shè)備配有兩個擺錘，打擊能量分別為750J（配有示波沖擊刃口）和300J（配有沖擊拉伸刃口）。擺錘和沖擊刃口都可以更換，以滿足不同標準的測試要求。沖擊速度為5.42m/s。主機上配有模擬表盤，可以直接顯示打擊能量和角度，可無需PC，單機獨立操作。帶全封閉安全保護罩，電子門鎖控制，門未關(guān)閉時，擺錘自動鎖緊。具有關(guān)門啟動擺錘釋放功能，測試時間＜5S。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三圖1PSW750儀器化沖擊試驗機

第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三二、沖擊力—位移曲線

圖2是典型的沖擊力—位移曲線示意圖。此圖給出了三組沖擊特征值參數(shù)：(1)力特征值：屈服力Fgy、最大力Fm、裂紋啟裂力Fiu、裂紋止裂力Fa。(2)位移特征值：屈服位移Sgy、最大力位移Sm、裂紋啟裂位移Siu、裂紋止裂位移Sa、總位移St。(3)能量特征值：最大力能量Wm、裂紋啟裂能量Wiu

、裂紋止裂能量Wa和總能量Wt

、裂紋形成能量Wi（由兩部分組成：彈性變形能量We和塑性變形能量Wd）、裂紋擴展能量Wp（也由兩部分組成：裂紋穩(wěn)定擴展能量Wp1和裂紋不穩(wěn)定擴展能量Wp2）。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三三、沖擊試驗的宏觀斷口

在沖擊力的作用下，試樣的斷裂過程與靜拉伸一樣，仍然表現(xiàn)為彈性變性、塑性變形和斷裂，其不同在于變形速度。由于缺口的存在，塑性變形只發(fā)生于缺口的局部范圍，而且缺口越尖銳，參與塑性變形的材料體積越小，得到的沖擊功越低。圖3為典型沖擊試樣斷口的宏觀形態(tài)，一般分為3個區(qū)域：第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三1、纖維區(qū)

曲線上Fgy之前為彈性階段，從Fgy開始，試樣進入塑性變形和形變強化階段。當載荷達到Fmax時，塑性變形已貫穿整個缺口截面，缺口根部開始橫向收縮，橫截面積減小，試樣承載能力降低，載荷下降。在Fmax附近試樣內(nèi)部萌生裂紋，由于缺口根部為三向應(yīng)力狀態(tài)，因此裂紋萌生于距缺口一定距離的試樣內(nèi)部。裂紋形成以后，向兩側(cè)寬度方向和前方深度方向擴展，在裂紋擴展過程中，載荷繼續(xù)下降，載荷達Fiu時，裂紋已擴展到缺口根部的整個寬度，中間部分較深，形成缺口前方的腳跟形的纖維區(qū)。

第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三2、放射區(qū)

當纖維區(qū)的裂紋尺寸增大到臨界尺寸，裂紋在Fiu點開始快速失穩(wěn)擴展，形成放射區(qū)，其斷口形貌為以纖維區(qū)為中心呈放射狀，與此對應(yīng)的載荷陡降到Fa。3、剪切唇區(qū)

此時裂紋前沿已進入試樣的壓應(yīng)力區(qū)，尚未斷裂的截面積已比較小，與兩側(cè)一樣已處在平面應(yīng)力狀態(tài)下，變形比較自由，形成二次纖維區(qū)和剪切唇，相應(yīng)的載荷由Fa降到零。其斷口特征為表面光滑，與拉應(yīng)力約成45°。第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三四、沖擊力—位移曲線與宏觀斷口的關(guān)系

裂紋萌生與缺口處一定范圍的彈、塑性變形有關(guān)。此前消耗的能量，代表裂紋萌生所消耗的能量，稱為裂紋形成能量，以Wi表示。裂紋形成能量是缺口處彈性變形和塑性變形消耗能量的總和，即：Wi=We+Wd在失穩(wěn)之前消耗的能量稱為裂紋穩(wěn)定擴展能量Wp1，使斷口形成腳跟形的纖維區(qū)。力從Fiu降至Fa是裂紋達到臨界尺寸后作快速低能量撕裂的結(jié)果，最后形成了斷口的放射區(qū)。裂紋不穩(wěn)定擴展能量Wp2用于斷口剪切唇及二次纖維區(qū)的形成。于是有：Wp=Wp1+Wp2沖擊總功為：Wt=We+Wd+Wp1+Wp2第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三五、PSW750儀器化沖擊試驗機在國內(nèi)各鋼鐵公司的應(yīng)用1、評價材料韌性的好壞

對不同的金屬材料，其沖擊吸收功可以相同，但他們的裂紋形成功和裂紋擴展功卻可能相差很大。若裂紋形成功所占比例很大，則表明材料斷裂前塑性變形小，裂紋一旦形成就立即擴展直到斷裂，裂紋必然是呈放射狀甚至結(jié)晶狀的脆性斷口。反之，若裂紋擴展功所占比例很大，則斷口是以呈纖維狀為主的韌性斷口。由此可見，沖擊吸收功的大小并不能直接反映材料韌或脆的性質(zhì)，材料韌性的好壞主要取決于裂紋擴展功Wp的大小。第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三2、進行斷口纖維率的定量計算

在“GB12778-1991”金屬夏比沖擊斷口測定方法中給出了沖擊試樣斷口結(jié)晶率或纖維率公式：

式中：Ac—斷口中晶狀區(qū)（放射區(qū)）的總面積A0—原始橫截面積CA—斷口結(jié)晶率FA—斷口纖維率

該種方法完全依賴于試驗者主觀經(jīng)驗和客觀試驗條件，有很大的局限性。ISO14556在附錄中提供了一套基于特征力值估算斷口剪切面積比例值PSF經(jīng)驗算法，在力—位移曲線變化過程，當力不發(fā)生急劇下降，把此時的斷裂表面的剪切面積比例值PSF定位100%；當力發(fā)生急劇下降時，則下降值與力特征值有關(guān)，計算公式如下：

第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

肯定用以上三個不同公式計算出的PSF是不同的，但是，對不同的材料或同一種材料在不同狀態(tài)用同一個公式計算的結(jié)果是可以進行比較的。雖然對以上公式的力學本質(zhì)至今未明，但已從多個方面證實了其作為經(jīng)驗公式的合理性。

第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

3、測試動態(tài)斷裂韌性KⅠd和JⅠd

3.1必要性

傳統(tǒng)的動態(tài)韌性試驗主要是針對中、低強度材料發(fā)展起來的，缺口沖擊試驗和落錘試驗都是動態(tài)韌性試驗。缺口沖擊試驗是目前廣泛應(yīng)用的簡易方法。根據(jù)已有的大量實踐經(jīng)驗，一般來說，沖擊功可作為中、低強度鋼生產(chǎn)過程中質(zhì)量驗收的標準。低強度材料的裂紋擴展功占總功的絕大部分，隨著強度的提高，此部分比例逐漸下降，對高強度鋼裂紋擴展功可能不足10%。這表明，對于中、低強度鋼沖擊功能反映材料抵抗裂紋的擴展能力，但對高強度鋼，就難于從沖擊功來判斷材料抵抗裂紋動態(tài)擴展的能力。第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

落錘試驗主要用來研究鋼中影響脆性斷裂開始的因素，通過落錘試驗可以獲得斷口零塑性的轉(zhuǎn)變溫度NDT，當試驗溫度高于NDT，就不會斷裂。NDT溫度是斷裂安全設(shè)計中的重要參考數(shù)據(jù)，但它和工作應(yīng)力、裂紋尺寸沒有定量的關(guān)系，故不能直接用于安全設(shè)計和選材，只有斷裂韌性才能正確反映裂紋體的力學行為。基于軸向拉伸試驗、預制裂紋試樣平面應(yīng)變條件KⅠC和JⅠC試驗，材料在準靜態(tài)加載條件下的強塑性能與斷裂韌性性能可以得到定量解析化的表征，并在材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)整體性評價、安全容器設(shè)計方面得到了廣泛的應(yīng)用。第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

但在工程實際中，我們經(jīng)常會遇到一些帶有裂紋的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件承受沖擊載荷的作用。在載荷速率比較小的情況下，慣性載荷可以忽略，問題可以近似為一個準靜態(tài)問題。但當載荷速率比較大時，慣性載荷不能忽略，要分析構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，就必須進行完全的動態(tài)分析。隨著近十幾年來靜態(tài)加載斷裂韌性試驗技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于動態(tài)加載方式下準確評價材料斷裂韌性的需求正在持續(xù)增加，幾乎所有工程應(yīng)用所涉及的環(huán)境溫度都處于待選材料韌性上平臺區(qū)或韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，因而基于彈塑性斷裂力學理論提出的力值分析方法（ForceBasedAnalysis，F(xiàn)BA）可作為單試樣動態(tài)斷裂性能評價方法的重要補充，用以表征材料動態(tài)加載的強度與韌性性能。第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三3.2屈服力和流變屈服應(yīng)力動態(tài)屈服強度yd計算公式如下式中：B—試樣厚度，mmW—試樣寬度，mmS—試樣跨距，mmao—裂紋原始長度，mmK—試樣幾何尺寸系數(shù)試樣見圖4第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三3.3動態(tài)斷裂韌性

JⅠC和KⅠd大量結(jié)構(gòu)鋼試樣動態(tài)加載條件均為其韌性上平臺或韌脆轉(zhuǎn)變溫區(qū)，因此相應(yīng)的夏比沖擊斷裂模式為延性斷裂，類似于JⅠC評測而采用J積分來表述其斷裂韌性。標準V缺口沖擊試樣對應(yīng)的動態(tài)斷裂韌性JⅠd公式為：

式中：k—試樣幾何尺寸常數(shù)Ei—啟裂點對應(yīng)的沖擊吸收功

第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三而對應(yīng)預制裂紋并處于脆性平臺區(qū)間的沖擊試樣來說，其動態(tài)斷裂韌性應(yīng)采用線彈性斷裂應(yīng)力強度因子KⅠd來表述，其公式為：式中：Pi—啟裂點對應(yīng)的力值，Nf(a/w)—試樣幾何尺寸修正函數(shù)試樣同測試動態(tài)屈服強度yd試樣。第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三3.4沖擊拉伸試驗普通圓拉力試樣靜態(tài)拉伸速度30mm/min約10-2/s,沖擊拉伸速度5.23m/s約102/s。經(jīng)驗表明，應(yīng)變速率在10-4～10-1/S的范圍內(nèi)，金屬材料的力學性能沒有明顯變化，可按靜載處理。但當應(yīng)變速率更高時，就要考慮它對力學性能的影響。圖4是光滑試樣沖擊拉伸與靜拉伸試驗的示意拉伸圖。由圖可見，塑性抗力總是隨應(yīng)變速率增大而增大的，其中尤以屈服應(yīng)力上升最為顯著。對一般塑性材料，斷裂抗力與變形速率增大關(guān)系不大，但塑性及韌性下降，即脆性斷裂的傾向增加；對高塑性材料，變形速率增大顯著提高斷裂抗力，而塑性及韌性變化不大，有時甚至有所增加，并保持切斷的斷裂方式不變。第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三3.5實例分析兩類熔敷金屬材料，在-20℃實施夏比沖擊試驗。發(fā)現(xiàn)其具有相同的沖擊吸收功Et而纖維斷面率FA相差較大。采用儀器化沖擊記錄沖擊力-位移曲線，并借助FBA方法表征其動態(tài)斷裂性能。第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三數(shù)據(jù)列表，Et相同，F(xiàn)A不同，斷裂行為？韌性:B>A?動態(tài)屈服應(yīng)力失穩(wěn)斷裂韌性第二十