材料分析技術(示波沖擊試驗)

現(xiàn)代材料分析技術《示波沖擊試驗》*一．材料的斷裂行為斷裂是材料在外力作用下喪失連續(xù)性的過程，是工程構(gòu)件的主要破壞形式。斷裂可分為三個階段：裂紋的萌生、裂紋的擴展和失穩(wěn)斷裂材料的斷裂可以根據(jù)其斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度，把斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂。*1．韌性斷裂韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂時一般裂紋擴展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能。一些塑性較好的金屬材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征。*2．脆性斷裂脆性斷裂是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險性。防止脆斷一直是人們研究的重點。*3．脆性斷裂的原因在外力作用下，任意一個結(jié)構(gòu)單元上主應力面的拉應力足夠大時，尤其在那些高度應力集中的特征點(例如內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋)附近的單元上，所受到的局部拉應力為平均應力的數(shù)倍時，此過分集中的拉應力如果超過材料的臨界拉應力值時，將會產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導致脆性斷裂。雖然與此同時，由于外力引起的平均剪應力尚小于臨界值，不足以產(chǎn)生明顯的塑性變形或粘性流動。因此，斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應力集中度很高的地方，并選擇這種地方的某一個缺陷(或裂紋、傷痕)而開裂。

*韌性又分斷裂韌性和沖擊韌性兩大類。斷裂韌性是表征材料抵抗其內(nèi)部裂紋擴展能力的性能指標；（已經(jīng)講過）沖擊韌性則是對材料在高速沖擊負荷下韌性的度量。二者間存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。本章重點介紹材料的沖擊韌度二、材料的沖擊韌度*1、沖擊韌度的定義實踐中發(fā)現(xiàn)，材料的力學性能有時與變形速率有關。一般相對變形速率在10-4～10-2秒范圍時，性能變化不明顯，可按靜載處理；若相對變形速率大于10-2／秒，性能將發(fā)生顯著變化。變形速率增大，則韌性下降，材料變脆。許多機器零件在工作時要遇到?jīng)_擊載荷：火車開車、剎車、改變速度時，車輛間的掛勾要受到?jīng)_擊；還有些機械就是利用沖擊負荷工作的，如鍛錘、沖床、鑿巖機等。因此了解材料承受沖擊負荷的能力十分必要。*沖擊韌性為材料單位面積所吸收的沖擊功，常用ak表示

.*2、沖擊韌度的應用①沖擊功對材料的宏觀缺陷、顯微組織的差異等非常敏感，長期以來有效地用來檢定鋼材質(zhì)量和判斷冶金、加工和熱處理規(guī)程的適宜性，籍以控制和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。②沖擊功對溫度十分敏感，通常從低溫到高溫進行沖擊系列試驗，測定韌脆轉(zhuǎn)變趨勢和轉(zhuǎn)變溫度。為防止金屬構(gòu)件的冷脆、藍脆及重結(jié)晶脆性，并能大致估算出構(gòu)件容許工作溫度，可提供一種經(jīng)驗性判據(jù)。*③由于沖擊試驗測出的沖擊功對缺口非常敏感，因此用來評定金屬對大能量一次載荷的缺口敏感性。④多年來常用沖擊試驗測定鋼材時效前后的沖擊功，確定鋼材的時效敏感性。⑤由于沖擊試驗設備簡便，試樣加工容易，試驗時間短。*3、實驗方法

沖擊試驗機是測定材料沖擊韌度的專用設備。按沖擊方式可分為落錘式、擺錘式和回轉(zhuǎn)圓盤式?jīng)_擊試驗機；按受力狀態(tài)可分為彎曲（包括簡支梁式彎曲和懸臂梁式彎曲）沖擊、拉力沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊試驗機。應用最廣泛的是擺錘和落錘式?jīng)_擊試驗機。*1）擺錘沖擊試驗原理

*它是利用擺錘沖擊試件前后的能量差，來確定沖斷該試件所消耗的功Ak，該沖擊功Ak，通?？蓮脑囼灆C的度盤上直接讀取。沖擊韌性為材料單位面積所吸收的沖擊功，常用ak表示

*2）落錘沖擊試驗原理落錘試驗機是在已知力學約束條件下測量材料對固有斷裂擴展的抗力。其主要的特點是：沖擊能量大、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊沖擊能量可以通過控制落錘提升高度和落錘重量大小來進行變化。*落錘試驗機的基本原理是利用錘頭的自由落體運動，測量試樣沖擊前后的勢能差值。實質(zhì)就是一個能量轉(zhuǎn)化過程：電動能→勢能→動能→試樣破壞能量。

本質(zhì)上通過測試落錘沖擊前的速度Vmax的測試，落錘沖擊試樣后的速度Vmin，確定材料的沖擊功Ak。根據(jù)材料的不同，可以通過調(diào)整落錘重量、沖擊高度和沖擊速度，測試不同材料的沖擊韌度。*3）常用沖擊試樣所用試樣如圖所示，幾種不同試樣的區(qū)別在于缺口的形狀不同。同種材料，試樣的缺口越深，越尖銳，塑性變形的體積越小，沖擊功越小，材料就越脆。因此，不同類型和尺寸試樣的沖擊值不能相互比較。*三、示波沖擊試驗1、傳統(tǒng)沖擊實驗的缺陷1）測出的沖擊性能單一。只能測沖擊功，而且所測的沖擊功缺乏明確的物理意義，不能作為表征金屬結(jié)構(gòu)件實際抵抗沖擊載荷能力的韌性判據(jù)，只能相對近似地表征金屬抵抗己發(fā)生斷裂的再擴展能力。*2）沖擊功不能代表試樣斷裂前的吸收總功。因為沖斷試樣消耗的總功可以分為兩個部分：其一，消耗在試樣的變形及斷裂：其二，消耗在試樣的拋出功、機座本身的震動、軸的摩擦等。因此，沖擊功為：Ak＝試樣斷裂吸收的能量+試樣拋出功十機座震動十軸摩擦……一般情況下，由于后面幾項很小，可近似地認為‘等于試樣斷裂所吸收的能量。但是對于很脆的材料，必須注意不能用大能量擺錘進行試驗。因為公式中第一項很小，而后幾項相對增大，因此會出現(xiàn)較大的測量誤差。*3）不能充分反映材料的韌脆差別如右圖所示，三種材料的沖擊功相同，但三種材料具有本質(zhì)型差別：材料1：典型脆性材料材料2：具有一定的韌性，為半脆性材料材料3：韌性材料*2、示波沖擊試驗功是物體在力作用下沿力的作用方向產(chǎn)生的位移與力的乘積。那么沖擊力一位移曲線下的面積就等于沖斷試樣所消耗的沖擊功。20世紀60~70年代就企圖利用示波沖擊機測定沖擊力一位移曲線分解沖擊功，從根本上解決沖擊功物理意義不明確的問題。目前示波沖擊技術已經(jīng)基本成熟。*1）示波沖擊試驗的典型曲線和特征值

（1）特征曲線：

沖擊力——時間曲線

沖擊能量——時間曲線

沖擊力——位移曲線

沖擊能量——位移曲線

*沖擊曲線類型：A、B型：

A型：在最大力前不存在屈服力，只產(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴展；

B型：有少量穩(wěn)定擴展。*C、D、E型：在最大力之前存在塑性變形，其后有裂紋穩(wěn)定擴展和不穩(wěn)定擴展。根據(jù)裂紋穩(wěn)定擴展和不穩(wěn)定擴展所占比例不同分為C、D、E型：。**（2）力學特征值：

a：屈服力Fy：力—位移曲線上第二個峰急劇上升部分與擬合曲線的交點所對應的力。b：最大力Fm：穿過振蕩曲線的擬合曲線上最大力。*c：不穩(wěn)定裂紋擴展起始力（啟裂力）Fiu：擬合曲線與最大力之后曲線急劇下降開始時的交點所對應的力。如果該點與最大力重合，則Fiu=Fmd：不穩(wěn)定裂紋擴展終止力（止裂力）Fa：力—位移曲線下降終止時與其后的力—位移擬合曲線的交點所對應的力*(3)位移特征值屈服位移Sy最大載荷位移Sm啟裂對應位移Sid止裂力對應位移Sa總位移St*(4)能量特征值最大力時的能量Wm

：力—位移曲線下,從S=0到S=S

m

的面積;不穩(wěn)定裂紋擴展起始能量Wiu:

力—位移曲線下,從S=0到S=S

id的面積;不穩(wěn)定裂紋擴展終止能量Wa:

力—位移曲線下,從S=0到S=Sa

的面積;總沖擊能量Wt:

力—位移曲線下,從S=0到S=St

的面積。*2）材料的沖擊能量特征值的應用（1）影響材料韌脆性的三個內(nèi)在能量指標材料的韌脆性與材料的裂紋萌生功、擴展功以及吸收的總能量有關:裂紋萌生功Wi

：裂紋形成功Wi反映了裂紋形成的難易和快慢,它取決于材質(zhì)的原子間結(jié)合力和材質(zhì)的滑移系的多少。盡管沖擊速度很快,使塑性變形不均勻,由于某些金屬的滑移系、滑移面原子密度和滑移方向原子數(shù)目較多時,但塑性變形仍然會產(chǎn)生。塑性變形從一處轉(zhuǎn)移到另一處會使變形增加,同時產(chǎn)生形變硬化,使沖擊力增強,因而導致沖擊裂紋形成功增加。從安全可靠角度分析,希望裂紋形成功大一些,使形成裂紋之前消耗能量增加,因此增加了構(gòu)件的安全性。*裂紋擴展功Wp

：裂紋擴展同裂紋形成一樣需要時間。裂紋擴展功Wp

反映了具有裂紋的試樣在沖擊力的作用下裂紋擴展的快慢，表征了阻止裂紋擴展的能力。裂紋穩(wěn)定擴展功大,說明裂紋擴展比較慢,說明材料的韌性越好。沖擊韌性的大小,主要取決于裂紋的擴展功,尤其是裂紋穩(wěn)定擴展功。

因而在分析沖擊試驗結(jié)果時,把裂紋擴展功的大小看得很重要。*總沖擊能量Wt

：在一些特殊條件下服役的機件(如炮彈,裝甲板)均承受大能量沖擊,這時總沖擊能量Wt

值就是一個很重要的性能指標。對于一些承受大能量沖擊的機件,Wt值也可以作為一個結(jié)構(gòu)性能指標使用,以防止發(fā)生脆斷。*(2)各種能量指標的確定關于裂紋形成能量及裂紋擴展能量,理論上認為裂紋在最大力時形成。當沖擊力達到最大力時,裂紋在沖擊試驗缺口處形成,因此把沖擊最大力作為裂紋形成的依據(jù):最大力之前所消耗的能量稱為裂紋形成能量——裂紋萌生功Wi:力—位移曲線下,從S=0到S=Sm的面積,即Wi≈Wm;最大力之后所消耗的能量稱為裂紋擴展能量——裂紋擴展功Wp：力—位移曲線下,從S=Sm

到S=S

t的面積,即Wp=Wt-Wi。*為了便于分析,將力—位移曲線下的面積,以力特征值為界分為5個部分,稱為基本能量單元:（1）We:彈性變形功（2）Wd：彈塑性變形功（3）WPl裂紋穩(wěn)態(tài)擴展功（4）WP3裂紋撕裂能量（5）WP2裂紋剩余擴展功*標準中給出的能量由上述5個部分組成:裂紋萌生功Wi

Wi=

Wm=We+Wd不穩(wěn)定裂紋擴展起始能量Wiu

Wiu=We+Wd+Wp1=Wi+Wp1不穩(wěn)定裂紋擴展終止能量Wa

Wa=We+Wd+Wp1+Wp3=Wi+Wp1+Wp3裂紋擴展功Wp：

Wp=穩(wěn)態(tài)擴展功（Wp1）+失穩(wěn)擴展功（Wp2+Wp3）總沖擊能量Wt

：

Wt=We+Wd+Wp1+Wp2+Wp3=Wi+Wp*（3）能量特征值的應用實例對于不同材料，其沖擊功Wt可能相等，但是它們的彈性變形功We、塑性變形功Wd及裂紋擴展功Wp所占的比例相差可能很大，從而表現(xiàn)出它們之間的韌脆性不同。沖擊力一位移曲線可以反映出它們在沖擊性能上的差異。*材料1：彈性功所占的比例很大，塑性變形功很小，裂紋擴展功幾乎為零。說明材料斷裂前塑性變形很小，裂紋一旦形成，就立即擴展直至斷裂，顯示出材料的脆性。*材料2：彈性變形功比前者小，塑性變形功增加，裂紋擴展功也有一定的增加，當裂紋發(fā)展到一定尺寸時產(chǎn)生失穩(wěn)擴展，表現(xiàn)出材料的半脆性性質(zhì)。材料3：彈性變形功較小，塑性變形功增加，裂紋產(chǎn)生后發(fā)生緩慢地擴展，直至斷裂也不存在失穩(wěn)，充分顯示出材料具有很好的韌性性質(zhì)。*3)示波沖擊試驗的應用前景（1）表面強化效應的研究。由于沖擊時試樣缺口截面上受力是不均勻的，缺口處受拉應力，缺口根部拉力最大。如果缺口表面狀態(tài)有變化，例如噴丸、鍍層、滾壓或者滲碳等均會使表面強化并且產(chǎn)生壓應力，而腐蝕會使表面弱化，那么沖擊試驗對其強化或弱化效果會很敏感，使沖擊力或者沖擊能量增加或減少。（2）對冶金質(zhì)量及熱處理工藝缺陷進行定量檢驗。把具有使用價值的沖擊力、位移、裂紋形成功及擴展功等沖擊性能，作為檢驗依據(jù)以評定缺陷的嚴重程度，分析其形成原因。*（3）對材料的韌脆轉(zhuǎn)變的評估。因為裂紋擴展功在轉(zhuǎn)變過程中變化顯著，不僅能夠給出定量評估指標，而且能從微觀形態(tài)和宏觀斷口上進行分析。（4）材料的韌脆程度將會以韌性斷面率來衡量。同一種材料不同狀態(tài)的韌性斷面率可以進行比較。（5）宏觀斷口與所測出的沖擊力或沖擊功參數(shù)之間的研究，會使您走出FATT測試困難的困境。（6）在動態(tài)斷裂力學中，用沖擊方法測動態(tài)斷裂韌度KID和JID變成很容易。（7）它使沖擊拉伸試驗不再是難題，可以像靜拉伸一樣，測出各種參數(shù)及性能指標。*（8）對焊接件及其性能的研究提供更多的沖擊試驗數(shù)據(jù)，翻開焊接質(zhì)量評估和檢測方法新的一頁。（9)對非金屬材料而言，特別是對高聚物或高分子材料，由于沖擊強度與溫度、濕度、加載速度及試樣的幾何形狀等關系很大，示波沖擊試驗機測出的多種性能參數(shù)，將為之提供更多的可分析研究的數(shù)據(jù)，促進其發(fā)展。**.*注意：沖擊能量、沖擊速度的調(diào)整范圍與落錘重量有關，也會影響落錘的高度，一般：對重量輕的落錘，升高沖擊速度或沖擊能量需要升高較高的沖擊高度，如果調(diào)整不當，有可能超過機器規(guī)定的高度極限。*5）應用范圍廣既可以用于黑色金屬，有色金屬、金屬基復合材料的沖擊韌度試驗，也可用于塑料、陶瓷等高分子材料、無機非金屬材料的沖擊韌度試驗。6）可以采用CHARPYU型和V型沖擊試樣（簡支梁），IZOD沖擊試樣（懸臂梁），盤狀試樣（用于陶瓷、塑料的穿透試驗）7）具有良好的安全保險功能。*2、試驗機的主要組成機架助力彈簧控制箱和控制面板落錘沖擊頭壓力傳感器卡具控制箱信號處理器計算機打印機**3、