冲击实验
一、实验目的
1．了解摆锤式冲击试验机的构造原理、操作方法及冲击试样的形状和尺寸。
2．掌握金属材料的冲击试验方法及以在不同热处理状态下的冲击试验
二、实验原理
冲击实验是一种动态力学试验，它是将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机的固定支座上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击弯曲负荷下断裂。用梅氏试样试验时；把冲断试样所消耗的功Ak，除以试样缺口处的横截面积F所得的商称为冲击韧性（或冲击值），以ak表示。
金属在常温下的冲击试验较为简便易行，其冲击韧性受材料的质量，如晶粒粗细、回火脆性、过热、过烧、内部裂纹、白点、夹杂、纤维组织的各向异性等的影响，并常用这种方法确定低碳钢材的应变时效敏感性。
具有体心立方或密排六方的金属及其合金，特别是工业上常用的结构钢，均会产生冷脆断裂现象，即当试验温度低于某一温度Tk时，材料将转变为脆性状态。其冲击值明显降低，这种现象称为冷脆转变现象，Tk称为冷脆转变温度，这是衡量材料冷脆倾向的性能指标。
系列冲击试验就是将所需试验的材料，加工成一定形状和尺寸相同的冲击试样，分别在一系列不同温度下进行冲击试验，以确定材料冷脆转化温度的方法．
常用冷脆转变温度表示方法有两种；一种是用U形缺口的梅氏冲击试样，在规定的摆锤刀口尺寸及支座尺寸的冲击试验机上，进行不同温度下的冲击试验，测出冲击韧性ak随试验温度变化的曲线，在曲线上与0.4akmax对应温度定为冷脆转变温度Tk；另一方法是用V形缺口的夏氏冲击试样，在另一种规定的刀口尺寸支座尺寸的冲击试验机上进行不同温度下的冲击试验，然后测量试样断口上纤维状韧性断口一结晶状脆性断口面积的比，通常取这种微口面积均为50％时的相应温度，定为冷脆转变温度，用符号50％FATT表示。我国和苏联以前多用前一种表示方法，英、美等西方国家多用后一种表示方法。两种表示方法都在规定试验条件下得到结果，相互没有换算关系。
冲击试样—侧开有U型或V型缺口，与之相对应的另一侧不开缺口，承受摆锤的撞击。 一般说来，在拉伸断口中出观的断口三区域，也都在冲击断口中出现。“首先在缺口附近形成裂纹源，然后是纤维区、放射区及剪切屑，剪切唇沿无切口的其他三侧边分布。纤维区向放射区或剪切唇相连接的边界常呈弧形。 冲击断口的另一特征是，由于在摆锤的冲击下，V缺口一侧受张应力，不开缺口的另一侧受压应力，在整个断面上受力方向不同，所以当受张应力的放射区进入受压区时可能消失
V型缺口试样的冲击断口及其示意图
三、实验设备及试验
1、冲击试验机
常用的摆锤式冲击试验机的构造如图１所示。
用梅氏试样做冷脆转变温度试验和用夏氏试样做FATT实验所用的冲击试验机，其刀口和支座的形状及尺寸如图2所示。目前我国生产上使用较多的为适用于梅氏冲击试样的试验机，如果用这种试验机来冲断夏氏试样，以测定材料的FATT值，其结果与严格依照规范做出来的值往往是不一致的。
JB—3０型梅氏试样冲击试验机的使用方法如下：
试验前，必须对试验机进行检查并进行空击试验，校正指针零点。安放试样时采用专用样规，以保证试样缺口与支座跨距中心相重合。
试验时，首先搬动开关接通电源，然后按“摆臂下降”按钮，摆臂取摆锤后升高至一定角度停下，用样规把试样放在试验机支座的钳口中间，同时把试验机读数盘指针拨至满刻度处。
然后按“冲击”按钮，摆锤脱离摆臂下降冲击试样，当摆锤冲击试样后又返回到新的最高位置后再按“停止”按钮，使摆锤制动停车，记下试验机指针在表盘上所指位置的数值（Ｊ）。即为冲断试样所消耗的冲击功Ak，以此计算试样的冲击韧性ak。
目前我国材料试验机厂还生产有高低温冲击试验机，能够自动扬摆和冲击，自动控温和从加热或低温度器中将试样自动推送到试验机支座上，是一种较为优越的试验机。
无论使用何种类型试验机，都应特别注意安全，防止摆锤和击断的试样飞出伤人。
图１ 摆锤冲击试验机
图２ 冲击试样及冲击试验机刀口、支座的形状及尺寸
（ａ） 梅氏 （ｂ） 夏氏
２．试样
常用的梅氏及夏氏冲击试样的形状及尺寸如图2所示。
试样坯料经热处理后，在平面磨床上磨光再开缺口。对硬度较低的材料，可用铣、拉、钻等方法加工。对硬度较高的材料，则需用砂轮磨削，缺口加工后最好在其根部加少许金刚砂，用一根直径相当的细铁丝进行研磨，以除去刀痕。缺口的几何形状及尺寸的偏差，会使试验结果误差较大，甚至无效。因此，对缺口应严格检查；如能用放大20～50倍轮廓投影仪或工具显微镜检查则更好。
四、实验步骤
本实验测定 Q235低碳钢（正火状态）的冲击韧性．试验温度定为室温。
测定 GCr15淬火+回火状态下的冲击韧性．试验温度定为室温
实验进行的步骤：
（１）检查试验，校正指针的零点位置。
（２）将试样编号（打上钢印或电刻），测量试样尺寸（精确到0.1mm），记于附表中。
（３）将冲击试样放在试验机支座上，将指针拨回零点
（５）冲击试验：按冲击按钮。按停止按钮。
（６）记录冲击功。对断口进行观察，测定断口各个区的大小。
五、实验结果分析和处理
1、将每一种试验温度下所得的几个试样的ak值，分别记录于表中、不要取平均值。不同的试样，除记录其ak值外，尚需注明“未打断”，必要时还需记录试样的弯折角。
2、测试室温下热处理前后的断口分区大小及形成原因
六、实验报告
１．简述实验目的
２．实验用的设备及材料
３．冲击试验原理
４．试验数据处理及分析
（1）分析两种状态下的ak值不同的原因
(2)绘制两种状态下断口分区图并标出大小，说明二者不同的原因。
第二篇：系列冲击实验
一、实验数据及处理
附表 系列冲击试验数据记录表（室温20℃）
图1—1 冲击功Ak~温度曲线
图1—2 冲击韧性aK~温度曲线
图1—3 冲击功Ak~温度曲线求Tk
图1—4 冲击韧性aK~温度曲线求Tk
二、实验结果分析与讨论
1、将每一种试验温度下所得到几个试样aK值，分别记录于附表中，不要取平均值。将试验过程中所出现的异常现象如实准确记录下来。
答：请见附表数据
2、根据试验数据用绘图软件绘制冲击韧性~温度曲线，每一温度下试验的几次aK值要在图上分别定点，然后根据这些试验点的变化趋势描绘出一条aK平均值~温度曲线，确定韧脆转变温度。
答：aK平均值~温度曲线如图1—2所示。
3、试验采用与0.4aKmax相对应的温度作为TK（DBTT），aKmax值以室温下全部为纤维状断口的aK值计算。
答：aKmax=165.827J/cm2，所以0.4aKmax=0.4×165.827=66.3308 J/cm2，画一条0.4aKmax的水平线与aK~T曲线相交，用“屏幕上取点”方法得到交点的横坐标为TK=-28.358℃
4、用测定脆性断面率（n）的方法确定韧脆转变温度。脆性断面率~温度曲线中规定的脆性断面率（n）所对应的温度，用FATTn表示（例如脆性断面率为50%所对应的温度记为FATT50），并与用0.4aKmax方法得到的Tk值相比较。参考国家标准GB/T12778—1991《金属夏比冲击断口测定方法》。
答:由图可知当n=50%时，FATT50=-13.465℃，要高于DBTT的-28.358℃，
5、根据试验数据整理报告，绘制各温度下宏观断口示意图。
答：请见原始数据记录。
三、思考题
1、导致低温冲击值不稳定的影响因素有哪些？
答：导致低温冲击值不稳定的影响因素有试样温度、加载速率、试样形状和尺寸、试样放置位置。
2、如何消除不稳定因素（并举例说明）。
答：（1）试样温度：在制备低温介质时，其温度要比规定试验温度低3~5℃，以补偿试样从取出到冲断时温度的回升；将低温试样放入冷却装置中冷却，保温时间不应少于15分钟，保证试样内部与表面接近一致；进行冲击试验，将低温冲击试样从冷却装置中取出后应迅速、稳健地放在试验机支座上进行冲击，防止试样温度回升。
（2）加载速率：由于不同的人的操作方式和反应速度不同，因此可能导致在操作中的加载速率不同，因此，在试验中，尽量保持一个人控制机械按钮；在试验过程中尽量避免人员走动，避免空气阻力对加载速率的影响。
（3）试样形状和尺寸：由于在制造试样过程中，其试样尺寸或是缺口大小存在误差，并且在进行缺口面积的测量过程中也会出现误差，影响试样形状和尺寸，因此要在统一测试条件下采取多个试样，多次测量减少误差等不稳定因素。
（4）试样在机器中的安放位置：一定要把试样放在刀口中央，因此采用专用样规，以保证试样缺口与支座跨距中心相重合，因此在试验前可多加徒手练习摆放试样以确保试验时试样位置准确。