北科大-材料低碳钢冲击试验

1金属系列冲击试验报告一、试验目的1.通过测定低碳钢、T10钢和奥氏体不锈钢材料在不同温度下的冲击吸收功，观察比较金属韧脆转变特性；2.结合夏比冲击试验归纳总结降低金属韧性的致脆因素。二、试验要求按照相关国标标准（GB/T229-2007金属夏比缺口冲击试验方法）要求完成试验测量工作。三、试验原理由于冲击过程是一个相当复杂的瞬态过程，精确测定和计算冲击过程中的冲击力和试样变形是困难的。为了避免研究冲击的复杂过程，研究冲击问题一般采用能量法。能量法只需考虑冲击过程的起始和终止两个状态的动能、位能（包括变形能），况且冲击摆锤与冲击试样两者的质量相差悬殊，冲断试样后所带走的动能可忽略不计，同时亦可忽略冲击过程中的热能变化和机械振动所耗损的能量，因此，可依据能量守恒原理，认为冲断试样所吸收的冲击功，即为冲击摆锤试验前后所处位置的位能之差。还由于冲击时试样材料变脆，材料的屈服极限σs和强度极限σb随冲击速度变化，因此工程上不用σs和σb，而用冲击功αk衡量材料的抗冲能力。图1冲击试验原理图试验时，把试样放在图1的B处，将摆锤举至高度为H的A处自由落下，摆锤冲断试样后又升至高度为h的C处，其损失的位能)(2hHGAku−=通常称为冲击吸收功，式中G为摆锤重力，单位为牛顿（N）；2kuA为缺口深度为2mm的U形试样的冲击吸收功，单位为焦耳（J）。四、试样的制备及材料选择冲击试样的类型和尺寸不同，得出的试验结果不能直接换算和相互比较，GB/T229-2007对各种类型和尺寸的冲击试样都作了明确的规定。本次试验采用金属材料夏比（U型缺口）试样，其尺寸及公差要求如图2所示。2图2夏比U型缺口冲击试样图（a）标准试样（b）深U型和钥匙孔型试样在试样上制作切口的目的是为了使试样承受冲击载荷时在切口附近造成应力集中，使塑性变形局限在切口附近不大的体积范围内，并保证试样一次冲断且使断裂发生在切口处。试验表明，缺口的形状，试样的绝对尺寸和材料的性质等因素都会影响断口附近参与塑性变形的体积。因此，冲击试验必须在规定的标准下进行，同时缺口的加工也十分重要，应严格控制其形状、尺寸精度及表面粗糙度，试样缺口底部光滑，没有与缺口轴线平行的明显划痕。试验材料：低碳钢、T10钢和奥氏体不锈钢。本次试样所用材料缺口均为U形缺口，缺口深度未2mm。五、试验仪器及设备1.冲击试验机JB-300B，主要性能指标如表1表格1冲击试验机主要性能指标最大冲击能量300J摆锤预扬角150°摆轴中心至打击中心的距离750mm冲击速度5.2m/s试样支座跨距40mm试样支座段圆弧半径R1-5mm冲击刀圆弧半径R2-2.5mm冲击圆弧半径30°冲击刀厚度16mm2.杜瓦瓶（保温用），游标卡尺33.温度计测温用的玻璃温度计最小分度值不大于1℃；测温热电偶应符合II级热电偶要求；测温仪器（数字指示装置或电位差计）的误差不超过±0.1%。4.包括热水、液氮在内的介质，国标规定，试样应在规定温度下保持足够时间，使用液体介质时，介质温度应在规定温度±1℃以内，保温时间不少于5min。五、实验步骤1．测量试样缺口处的横截面尺寸，其偏差应在规定的范围内；在每个试样背后用铅笔标号。2．确定试样冲击温度，根据冲击温度对试样进行温度处理：3．①对于水温试样，在杜瓦瓶加入足够热水，将试样浸没杜瓦瓶中，保温时间不少于5min；过热温度补偿在35~200℃时，过热温度补偿为1~5℃。②对于低温试样，向杜瓦瓶中加入足够液氮，将试样浸没杜瓦瓶中，在降温时若试样不能低于冲击测试温度，则再加入液氮，低于测试温度后保温不少于5min，试验温度在-192~-100℃，过冷温度补偿值为3~4℃，试验温度在-100~-60℃，过冷温度补偿值为2~3℃，试验温度在-60~0℃，过冷温度补偿值为1~2℃；当试验不在室温进行时，试样从高温或低温装置中移出至打断的时间应不大于5s。4．正确安装试样：将摆锤稍离支座，试样紧贴支座安放，使试样缺口的背面朝向摆锤打击方向，试样缺口对称面偏离两砧座间的重点应不大于0.5mm。5．试验前应检查摆锤空打时的回零差或空载能耗。试验前应检查砧座跨距，砧座跨距应保证在40±0.2mm以内。6．进行试验。将摆锤举起到高度为H处并锁住，然后释放摆锤，冲断试样后，待摆锤扬起到最大高度，再回落时，立即刹车，使摆锤停住；7．记录表盘上所指示的冲击吸收功AKU，取回试样，观察试样断口的形貌特征。8．测量并计算脆性断面率，用游标卡尺测量试样断面脆性区边长，计算脆性区面积，利用脆性区面积和原始截面积之比计算出脆性断面率并记录至表中。六、试验数据本班分为两组进行试验，冲击吸收功与脆性断面率试验数据见表2，表3。表格2系列冲击试验数据-第一组温度/℃79.716.0-1-20.1-40.5-61.3-196Q235AK/J214.5139.590.040.57.05.5——断口解理面积%019.167.484.6100100——T10AK/J9.54.54.0——2.5————断口解理面积%100100100——100————奥氏体不锈钢AK/J——287.0——————300207.0断口解理面积%——0——————00表格3系列冲击试验数据-第二组温度/℃81.517.0-0.5-20.5-40.5-60.5-196Q235AK/J174134.593.054.55.05.0——断口解理面积%040.055.480.288.7100——T10AK/J13.55.0——3.0——4.0——断口解理面积%100100——100——100——奥氏体不锈钢AK/J300——300————300218.0断口解理面积%0——0————00注：奥氏体不锈钢和高温下的Q235未被冲断4七、数据处理根据GB/T229-2007确定转变温度Tt：冲击吸收能量达到上平台某一百分数，例如50%脆性区和塑性区各站50%的温度成为韧脆转变温度（DBTT）。剪切断面率达到某一百分数，例如50%，当端口上结晶或解理状脆性区达到50%时，相应的温度成为断口形貌转化温度（FATT）。第一组数据，由表2中数据作图，得到不同钢的韧脆转变行为曲线低碳钢-500501000100200AkFABook1_C的Boltzmann拟合Book1_B的Boltzmann拟合Temperature(℃)Ak(J)050100FA(%)图3低碳钢韧脆转变行为曲线冲击吸收功的拟合结果出现上下平台，上平台对应吸收功为175J，下平台对应吸收功为0J，对应冲击功为87.5J时的温度即为韧脆转变温度（DBTT），Tt=5℃；断面收缩率线性拟合，当脆性断面率为50%时，从图中可得端口形貌转化温度（FATT）,Tt=5℃。DBTT与FATT相同。T10钢-50050100246810AkFABook1_C的线性拟合Book1_B的Boltzmann拟合Temperature(℃)Ak(J)9095100105110FA(%)图4T10钢韧脆转变行为曲线5从图4中可知，T10钢在-60~80℃区间的断面收缩率为100%，冲击功变化较小，没有明显的冲击功平台，观察断口形貌，均为解理断口，因此对于T10钢来说，并未发生韧脆转变，始终为脆性断裂。不锈钢-200-1000200250300AKFAT(℃)AK(J)-1.0-0.50.00.51.0FA(%)图5不锈钢韧脆转变行为曲线从图5中可知，奥氏体不锈钢在-196~80℃区间脆性断面率为0，同时没有出现冲击功的上下吸收平台，并且根据实验结果，奥氏体不锈钢试样均为被冲断，断口附近出现明显变形，对于奥氏体不锈钢来说并未发生韧脆转变。第二组数据处理：由表3中数据作图，得到不同钢的韧脆转变行为曲线低碳钢-100-80-60-40-20020406080100120020406080100120140160180AkFASheet1列CFA的线性拟合Sheet1列BAk的Boltzmann拟合Temperature(℃)Ak(J)020406080100FA(%)图6低碳钢韧脆转变行为曲线冲击吸收功的拟合结果出现上下平台，上平台对应吸收功为175J，下平台对应吸收功为0J，对应冲击功为87.5J时的温度即为韧脆转变温度（DBTT），Tt=0℃；6断面收缩率线性拟合，当脆性断面率为50%时，从图中可得端口形貌转化温度（FATT）,Tt=5℃。DBTT与FATT几乎相等。T10钢-80-60-40-200204060801002468101214AkFABook1_B的Boltzmann拟合Book1_C的线性拟合Temperature(℃)Ak(J)9095100105110FA(%)图7T10钢韧脆转变行为曲线从图7中可知，T10钢在-60~80℃区间的脆性断面率为100%，冲击功变化较小，没有明显的冲击功平台，观察断口形貌，均为解理断口，因此对于T10钢来说，并未发生韧脆转变，始终为脆性断裂不锈钢-200-1000100210215220225230235240245250255260265270275280285290295300305AKFAT(℃)AK(J)-1.0-0.50.00.51.0FA(%)图8不锈钢韧脆转变行为曲线从图8中可知，奥氏体不锈钢在-196~80℃区间脆性断面率为0，同时没有出现冲击功的上下吸收平台，并且根据实验结果，奥氏体不锈钢试样均为被冲断，断口附近出现明显变形，对于奥氏体不锈钢来说并未发生韧脆转变。八、结果分析与讨论三种钢均表现出随着温度的降低，冲击功逐渐减小，钢由韧性转变为脆性，温度影响原子间的7相互作用力，随着温度的降低，原子键强减弱，材料逐渐转变为脆性。在两组实验中均测量得到低碳钢的韧脆转变温度，而T10钢表现为脆性，奥氏体不锈钢表现为韧性从成分来看，低碳钢的碳含量最低，T10钢碳含量最高，在相同时实验温度下，低碳钢的冲击功要大于T10钢的冲击功，而低碳钢的脆性断面率要小于T10钢的断面率。因此可知随着碳含量的增加，钢逐渐由韧性转变为脆性，且冲击功逐渐降低。而奥氏体不锈钢中含有Ni等合金元素，合金元素的添加影响钢的韧脆转变从组织来看，低碳钢在实验温度的组织为珠光体与铁素体，T10钢的组织为珠光体与渗碳体，不锈钢的组织为奥氏体，铁素体为BCC结构，以BCC结构为基的材料的临界分切应力与临街接力应力的比值大于0.05，其韧脆状态对外界条件敏感，位错在开动时以克服其在点阵中运动阻力为主，点阵阻力随温度降低大幅度提高，位错难以开动，塑性变形困难，因此展现为脆性；高温下，点阵阻力减小，位错容易运动，材料显示为韧性，从而低碳钢在实验的温度区间内出现韧脆转变。而奥氏体为FCC结构，位错在FCC结构的点阵中滑移阻力较小，受载时位错容易开动，受载后材料可能经受弹性变形到塑性变形的过程，使材料处于韧性状态。同时，低碳钢的珠光体含量比T10钢珠光体含量少，珠光体室友片状铁素体和渗碳体机械混合组成，珠光体由有较高的韧脆转变温度，因此对于T10钢来说，在实验温度范围内表现为脆性。由于缺口的存在使缺口附近出现的三项应力状态，使应力状态软性系数变小，导致缺口附近的塑性变形更加困难而致脆。较低的温度，引起正断的临界解理应力σf与引起塑性变形的临界分切应力τs随着温度的降低有升高的确实，但是σf与τs的差距越发明显，而且前者的变化比较缓慢。两种临界应力随温度变化曲线必然会相交于一点，这点对应的温度为Tc，在外载作用下，低于Tc，塑性变形越困难，导致脆性断裂；高于Tc，材料发生由脆性断裂向韧性断裂的变化。加载速率，本次实验中所用为同一设备，加载速率均相同。九、实验结论1.低碳钢，T10钢，奥氏体不锈钢的韧脆转变温度和韧脆转变特性表格4试样的韧脆转变特性材料DBTT/℃FATT/℃冷脆性低碳钢05居中T10钢表现为脆性，未发生韧脆转变最大不锈钢变现为韧性，未发生韧脆转变最小2.降低金属韧性的致脆因素本实验中，降低金属韧性的致脆因素有：低温，试样缺口，材料的成分与组织结构，FCC结构的合金在所有温度下都是人性的，仅有中、低强