金属材料夏比摆锤冲击试验方法介绍

核电石化事业部2012年3月金属材料夏比摆锤冲击试验方法介绍Charpypendulumimpacttestmethod李兴民一、夏比摆锤冲击试验简介二、GB/T229-2007解读三、回火脆转变温度四、冲击试验标准对比内容概况一、夏比摆锤冲击试验简介缺口效应实际生产中的机件，绝大多数都不是截面均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部位可视为“缺口”。由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。一、夏比摆锤冲击试验简介缺口效应主要产生以下两方面影响：1.在缺口根部引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态；2.使塑性材料强度提高，塑性降低，即所谓的“缺口强化”。需要指出的是，缺口强化并不是金属内在性能发生变化，纯粹是由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致。无论是脆性材料还是塑性材料，其机件上的缺口都因造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低了使用的安全性。一、夏比摆锤冲击试验简介冲击试验一种动态力学性能试验，主要用来测定冲断一定形状的试样所消耗的功，又叫冲击韧性试验。(加载速度)冲击试验机（摆锤式和落锤式）：手动冲击试验机、半自动冲击试验机、全自动冲击试验机。根据试样形状和破断方式，冲击试验分为弯曲冲击试验、扭转冲击试验和拉伸冲击试验三种。横梁式弯曲冲击试验法（charpy）操作简单，应用最广。在工程上主要是用它评定冶金质量和加工工艺质量，以及测定韧脆性转变温度。为表征加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样的冲击弯曲试验。一、夏比摆锤冲击试验简介夏比冲击试验(CharpyImpactTest)是用以测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的试验。制备有一定形状和尺寸的金属试样(通常为10×10×55mm)，使其具有U形缺口或V形缺口，在夏比冲击试验机上处于简支梁状态，以试验机举起的摆锤作一次冲击，使试样沿缺口冲断，用折断时摆锤重新升起高度差计算试样的吸收功，即为Aku(U型缺口)和Akv(V型缺口)。可在不同温度下作冲击试验。吸收功值(焦耳)大，表示材料韧性好，对结构中的缺口或其他的应力集中情况不敏感。一、夏比摆锤冲击试验简介一、夏比摆锤冲击试验简介夏比冲击试验常采用简支梁冲击，以摆锤冲击试样前后的能量差来计算出冲击强度。一、夏比摆锤冲击试验简介夏比冲击试验应用•作为韧性指标，为设计选材和研制新型材料提供依据•检查和控制冶金产品质量•监督热加工工艺质量•评定材料在不同温度下的脆性转化趋势•确定应变时效敏感性•缺口敏感性指标。一、夏比摆锤冲击试验简介夏比冲击试验结果分散性相对大的原因来自两方面：•试验因素；•材料结构。从试验角度看，由于冲击试验是在动态力作用下进行的，因此影响试验结果正确性和分散性的因素很多，试验方法标准化的目的就是对各种影响冲击试验结果的因素进行限定，以得到准确的和可比较的试验结果。二、GB/T229-2007解读一、范围规定了测定金属材料在夏比冲击试验中吸收能量的方法，适用于V型和U型缺口试样。不包括仪器化冲击试验方法，因为已有GB/T19748－2005《钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》。二、GB/T229-2007解读二、规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。•GB/T3808摆锤式冲击试验机的检验•GB/T2975钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备•GB/T8170数值修约规则•JJG145摆锤式冲击试验机检定规程二、GB/T229-2007解读三、术语实际初始势能KP—对试验机直接检验测定的值。吸收能量K—由指针或其他指示装置示出的能力值•KV2、KU2－2mm锤刃的冲击值。•KV8、KU8－8mm锤刃的冲击值。试样的几何尺寸二、GB/T229-2007解读冲击吸收功：规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功脆性断面率：脆性断口面积占试样断口总面积的百分率冲击吸收功-温度曲线：在一系列不同温度的冲击试验中，冲击吸收功与试验温度的关系曲线韧脆转变温度：在一系列不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域二、GB/T229-2007解读四、符号二、GB/T229-2007解读五、原理将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量。由于大多数材料的冲击值随温度变化，因此试验应在规定温度下进行。•高温冲击试验•低温冲击试验•室温冲击试验二、GB/T229-2007解读六、试样标准尺寸冲击试样长度为55mm，横截面为10mm×10mm，在试样长度中间有V型和U型缺口。备用尺寸试样可使用宽度分别为7.5mm，5mm，2.5mm的小尺寸试样。V型缺口夹角为45°，深度为2mm，底部曲率半径为0.25mm，U型缺口深度为2mm或5mm，底部曲率半径为1mm。应注意以下几点：•对于低能量冲击试验需要使用垫片；•除端面外其余表面粗糙度优于5m；•缺口根部没有影响吸收能的加工痕迹；•缺口对称面垂直于试样纵向轴线；•试样标记应远离缺口，不应标在与支座，砧座或摆锤刀刃接触的面上。二、GB/T229-2007解读焊接冲击试样焊接接头取样方法：焊接接头冲击试验时，试样缺口位置应按要求开在焊缝、熔合线或热影响区，缺口轴线应垂直焊缝表面。焊接接头冲击试样的热影响区缺口位置：其缺口轴线与熔合线的距离t应由产品技术条件规定焊缝金属冲击试样热影响区冲击试样二、GB/T229-2007解读缺口在焊缝、熔合线或HAZ的位置二、GB/T229-2007解读试样的尺寸及偏差应满足下表：二、GB/T229-2007解读七、试验设备1.所有测量仪器应符合国家或国际标准；2.所有仪器应在合适的周期内进行校准；3.试验机应按照GB/T3808或JJG145进行安装及检验；4.摆锤刀刃半径应参考相关产品标准。我公司冲击试验机：•JBW-500GD屏显式冲击试验机•ZBC系列微机式金属摆锤冲击试验机二、GB/T229-2007解读我公司冲击试验机：•ZBC系列微机式金属摆锤冲击试验机二、GB/T229-2007解读八、试验程序一般要求:试验前检查砧座跨距，保持在40+0.2mm以内；试验前检查摆锤空打时的回零差或空载能耗(±0.1%)；试样紧贴试验机砧座，锤刃沿缺口对称面打击缺口背向，试样缺口对称面偏离两砧座间的中点不应大于0.5mm。试验温度：应在规定温度±2℃内试验，如对温度没有规定，应在23±5℃范围进行。严格了室温冲击温度适用范围。二、GB/T229-2007解读冷却介质温度在规定温度±1℃内，液体介质保温时间至少为5min，气体介质至少为20min。液体介质中利用网栅存放试样，网栅至少高于容器底部25mm，液体浸过试样的高度至少为25mm，试样据容器侧壁至少10mm，连续均匀搅拌介质使温度均匀。气体介质应注意试样据低温装置内表面及试样间保持足够的距离。高温冲击试验：低于200℃时在规定温度±2℃内保温至少10min；低于200℃时在规定温度±5℃内保温至少20min；二、GB/T229-2007解读试验保温介质试验温度,℃介质200空气加热200～35高温油10～0水+冰0～-70乙醇+干冰-70～-105无水乙醇+液氮-105～-192液氮二、GB/T229-2007解读试样转移对高低温冲击试验规定试样从装置中移出至打断时间应不大于5秒。使用V型缺口自动对中夹钳转移试样，与试样一起保温。为保证试样在打击瞬间温度处于规定范围，建议采用过冷或过热法补偿温度损失值。试验机能量范围试样吸收能量不应超过实际初始势能的80%，如果试样吸收能量超过此值，在试验报告中应报告为近似值并注明超过试验机能力的80%。二、GB/T229-2007解读试样未完全断裂对于试样试验后没有完全断裂，可以报出冲击吸收能量，或与完全断裂试样结果平均后报出。由于试验机打击能量不足，试样未完全断开，吸收能量不能确定，试验报告应注明用×J的试验机试验，试样未断开。试样卡锤如果试样卡在试验机上，试验结果无效，应彻底检查试验机，否则试验机的损伤会影响测量的准确性。二、GB/T229-2007解读断口检查和结果读取试样标记不能在明显变形部位；冲击吸收能量结果至少估读到0.5J，至少保留两位有效数据。不同类型和尺寸试样的试验结果不能直接对比和换算。二、GB/T229-2007解读试验报告必要内容•标准编号；•试样相关资料；•缺口类型；•试样尺寸；•试验温度；•吸收能量类型KV2，KU8等；•影响试验的异常情况。可选内容•试样取向•试验机标称能量•纤维面积•侧膨胀值•转变温度•未完全断裂试样数二、GB/T229-2007解读侧膨胀值测量用缺口根部的变形量来分析材料抵抗三轴应力断裂的能力。断面相对侧的膨胀量代表压缩量（由于压缩变形测量困难）。侧膨胀值=断面两侧最大膨胀值之和。测量仪器：游标卡尺和图像分析仪。二、GB/T229-2007解读断口形貌测量冲击试样断口上有纤维区、放射区（结晶区）和剪切唇。不同温度下，上述三个区的相对面积不同；结晶区的面积随温度变化而变化，一般结晶区面积百分比增大表示材料变脆。二、GB/T229-2007解读断口形貌测量宏观：纤维区灰大小微观：韧窝大小与深浅穿晶断裂解理面（晶面）断裂二、GB/T229-2007解读断口形貌测量剪切断面率用来评定冲击试样的断口表面。其值越高，材料的韧性越好。大多数夏比冲击试样的断口形貌为剪切和解理断裂的混合状态。通常使用以下方法测定纤维断面率：a)测量断口晶状断裂部分（即“闪亮”部分）的长度和宽度，查表计算纤维断面率；二、GB/T229-2007解读b)使用图示的断口形貌卡与试样断口进行比较；二、GB/T229-2007解读c)将断口放大，并与预先制好的对比图进行比较，用求积仪测量的纤维断面率（100%）减去晶状断面率计算；d)断口拍成放大照片，用求积仪测量纤维断面率（100%）减去晶状断面率计算；e)用图像分析技术测量纤维断面率。二、GB/T229-2007解读低温脆性体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体－珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是所谓的低温脆性现象。金属的低温脆性是由于金属的屈服强度随温度降低而升高造成的。二、GB/T229-2007解读韧脆转变曲线研究低温脆性的主要问题是确定韧脆转变温度。试验方法：将试件冷却到不同温度测定冲击功AK，得到断口形貌特征与温度的关系曲线，然后按照一定的方法确定韧脆转变温度。转变温度tk称为韧脆转变温度，也称为冷脆转变温度，面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象。由于材料化学成分的统计性，韧脆转变温度实际上不是一个温度而是一个温度区间。二、GB/T229-2007解读韧脆转变曲线冲击吸收能量与温度曲线（KV-T曲线）表明，对于给定形状的试样，冲击吸收能量是试验温度的函数，如图所示。通常曲线是通过拟和单独的试验点得到的。曲线的形状和试验结果的分散程度取决于材料、试样形状和冲击速度。出现转变区的曲线，具有转变区(1)、上平台(2)和下平台(3)。二、GB/T229-2007解读转变温度转变温度Tt表征冲击吸收能量-温度曲线陡峭上升的部分。这部分一般出现在较宽的温度范围，因此应用中转变温度要明确定义为一个温度。可用如下几种判据规定转变温度：a)冲击吸收能量达到某一特定值（例如KV8=27J）的温度；（能量）b)冲击吸收能量达到上平台某一百分数（例如50%）的温度；（能量）c)纤维断面率达到某一百分数（例如50%）的温度；（断口形貌）d)侧膨胀值达到某一个量（例如0.9mm）的温度；（变形能力）用以确定转变温度的方法应在产品标准规定，或通过协议规定。三、回火脆转变温度回火脆性研究利用一定冲击功下的转变温度