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材料一次冲击实验报告
试验目的
1. 了解摆锤冲击试验的基本方法。
2. 通过系列冲击试验，测定低碳钢、工业纯铁和T8钢在不同温度下的冲击吸收功，
拟合三种金属韧脆转变温度。
二． 基本原理：
韧性是材料承受载荷作用导致发生断裂的过程中吸收能量的特性。冲击吸收功的测量原理为冲击前以摆锤位能形式存在的能量中的一部分被试样在受冲击后发生断裂的过程中所吸收。摆锤的起始高度与它冲断试样后达到的最大高度之间的差值可以直接转换成试样在冲断过程中所消耗的能量，试样吸收的功称为冲击功（Ak）。
采用系列冲击试验，即测定材料在不同温度下的冲击吸收功，可以确定其韧脆转变温度，即当温度下降时，由韧性转变成脆性行为的温度范围，在Ak-T曲线上表现为Ak值显著降低的温度。曲线冲击功明显变化的中间部分称为转化区，脆性区和塑性区各占50%时的温度称为韧脆转变温度（DBTT）。当断口上结晶或解理状脆性区达到50%时，相应的温度称为断口形貌转化温度（FATT）。
脆性断裂：材料在低温断裂时会呈现脆性断裂，所谓脆性断裂即材料在极微小甚至没有塑性变形及其预警的情况下所发生的断裂，低倍放大镜下断口形貌往往是光亮的结晶状。
解理断裂：当外加正应力达到一定数值后，以极速率沿特定晶面产生的穿晶断裂现象称为解理。解理断口的基本微观特征是台阶、河流、舌状花样等。
全韧型断口：断口晶状区面积百分比定为0%； 全脆型断口：断口晶状区面积百分比定为100%；
韧脆型断口：断口晶状区面积百分比需用工具显微镜进行测量，计算出断口解理部分面积，计算出断口晶状区面积百分比
三．
试验材料、试样、以及设备仪器
2.1 按照相关国标标准GB/T229-1994 (金属夏比缺口冲击试验方法)要求完成试验测量工作。
2.2 试验材料：低碳钢、工业纯铁和T8钢。试样外型尺寸：10mm*10mm*55mm，缺口部位为U型槽。 2.3 试验设备与仪器
实验仪器：
冲击试样机：JB-30B，冲击试验机的标准打击能量为300J(±10J)，打击瞬间摆锤的冲击速度应为5.0~5.5m/s。冲击试验机一般在摆锤最大能量的10%~90%范围内使用；实验前应检查摆锤空打时被动指针的回零道，回零差不应超过最小分度值的四分之一。
工具显微镜：目镜 10X，物镜2.5/0.08， 160/0.
保温杜瓦瓶：对于高温或低温冲击试验，保温瓶应能将试验温度稳定在规定 值的±2℃之内。
温度计：测高温用的玻璃温度计最小分度值应不大于1℃，测低温用数字显示式热电偶测温器。
加热用电炉，烧杯，液氮，酒精，加持试样用镊子
四． 实验步骤
4.1 了解摆锤冲击试验装置，工作原理及冲击方式。
4.2 将三种试样分别做标记，标号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，然后放置于温度分别为-60℃、-40℃、
-30℃、-20℃、0℃、室温、沸水的介质中保温。
4.3 达到预定温度后，保温3分钟以上，然后准备进行冲击试验。
4.4 试样的支座要符合规定距离，坚固不松动，摆锤的刀口处于支座跨度的中央，摆锤空
载运动时指针应指在零位。
4.5 冲击吸收功的试验测量。将试样快速准确的装卡到试验装置上，然后放下摆锤完成冲
击试验。注意，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不应大于5秒，如不能满足要求，应采取过热或过冷的方法补偿温度损失。调试温度，以达到试样规定的试验温度。
4.6 记录冲击功，并且根据断后形貌，在显微镜下观察计算韧脆区域比例，填入班级统计
栏中。
五． 试验数据记录及处理
5.1 试验数据记录
表1 系列冲击试验第1组数据
表2 系列冲击试验第2组数据
5.2 断口形貌及晶状区面积计算
5.2.1 断口形貌
断口脆性区没有塑性变形，断口呈结晶状、平整且基本无形状变化，呈现亮白色；塑性区有明显的塑性变形，断口不平整伴随较大的形状改变，呈现暗灰色。 5.2.2 断口晶状区面积%计算
根据国标GB/T 12778-2008，按断口上晶状区的形状，若能归类成矩形、梯形时（图1），可用量具测出相应尺寸，按公式(1)计算出断口晶状区面积%。
图 1 量具测定断口解理面积示意图
式中，Ac为断口中晶状区的总面积，单位为mm2；A0为原始横截面积，单位为mm2。 5.2.3 我自己的样品计算：本人所测样品为-60度纯铁，Ak=6J，其断口中晶状区的总面
积100%，绘制图像如下：
5.3 用绘制韧脆转变曲线的方法确定韧脆转变温度。
利用Origin软件拟合各样品的韧脆转变曲线，根据已有的研究结果选择Boltzmann 函数进行拟合，可以较好的模拟出各类试样的韧脆转变温度。
impact absorbing energy/Ak (J)
T (centigrade)
图二：Q235钢的韧脆转变行为曲线
在origin中对冲击功曲线取点，得知AK最大值197J,最小值：0J；所以当AK=100J时，温度T=-17.5 ℃，即利用冲击吸收功所得韧脆转变温度ETT50为-17.5 ℃.
对脆性断面率曲线取点 P=50%时，T=-7.7℃，即利用脆性断面率所得的韧脆转变温度FATT50=-7.7℃. 5.3.2.
T8钢的韧脆转变曲线绘制
impact absorbing energy (J)
Temperature (centigrade)
percentage of brittle failure area (%)
图三：T8钢的韧脆转变行为曲线
由两组拟合的曲线可知，T8钢没有明显的韧脆转变现象，它是一种完全脆性的材料。
Temperature (centigrade)
impact absorbing energy (J)
图四：工业纯铁的韧脆转变行为曲线
在origin中对冲击功曲线取点，得知AK最大值289J,最小值70J；所以当AK=180J时，温度T=19.7 ℃，即利用冲击吸收功所得韧脆转变温度ETT50为-19.7 ℃.
对脆性断面率曲线取点 P=50%时，T=-25℃，即利用脆性断面率所得的韧脆转变温度FATT50=-25℃.
六． 实验分析及结论
6.1. 三种材料的韧脆转变特性比较
本次试验中，T8，Q235，纯铁含碳量依次降低。由实验所得数据以及绘图拟合结果可知，含碳量比较低的纯铁在系列冲击试验冲击功有明显下降斜率，具有明显的韧脆转变温度，并且其韧脆转变温度很低在-20度左右；Q235也有韧脆转变现象，但其转变温度相较于纯铁高，转变温度区间比纯铁宽，突变不明显；随着含碳量的继续增加，合金的强度不断提高，韧脆转变现象越发不明显，T8钢已经显现出完全的脆性。 6.2. 冲击试验致脆因素
本次试验中，从Q235和纯铁的转变曲线中可以看出，随温度的降低，其冲击功明显降低，并且断面脆性面积随之增大，可知，温度是影响其脆性的因素之一。
另外，三种材料中，T8，Q235，纯铁依次降低，可知，T8钢表现出完全的脆性，Q235有不太明显的韧脆转变，而纯铁有明显的韧脆转变，所以可知，只有中低碳钢有明显的韧脆转变现象。所以得出结论，含碳量是影响致脆性的一个重要因素，随着含碳量增加，脆性越加明显。
参考文献
[1] 金属夏比缺口冲击试验方法. GB/T 229-1994.
[6] 杨王玥，强文江．材料力学行为[M]. 北京：化学化工出版社. 2009.
材料一次冲击实验报告
课程名称： 材料性能研究技术
成绩：
实验名称： 弯曲冲击实验及韧脆转变温度测定
批阅人： 实验时间：
实验地点： 实验室
报告完成时间：
姓 名：
学号：
班级：
同组实验者： 指导教师：
一、实验目的
1.了解冲击韧性的含义及其表达方式。
2.掌握金属冲击试验机的操作方法。
3.分析温度对材料韧脆转变的影响，理解金属的低温脆性。
二、实验原理
1、冲击试验原理
冲击载荷是指载荷在与承载构件接触的瞬间内速度发生急剧变化的情况，即有一定的加载速率的载荷。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功能力，常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。冲击吸收功AK值越大，表明材料的抗冲击性能越好。本试验通过缺口试样的冲击弯曲试验来测量材料的冲击吸收功。
缺口试样的冲击弯曲试验的原理如图1所示，试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向上。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H0，使其获得一定位能mgH0。释放摆锤冲击试样，摆锤的剩余能量为mgH1，侧摆锤冲击试样失去的位能mgH0-mgH1，即为试样变性和断裂所消耗的功，就是冲击吸收功AK。
图1 摆锤式冲击试验机 图2 V形缺口试样
在冲击试验机上实际操作过程中，冲击前先将指针调零，冲击完成后指针自
动转向表盘上冲击吸收功AK所指的刻度处，单位为J，实验者只需按要求按放好试样，调零和读数即可，不需要测量H0和H1的大小。
2、冲击试验试样
冲击吸收功AK值与试样的尺寸、缺口形状和支撑方式有关。为了便于比较，国标给定了两种缺口的冲击弯曲标准试样，它们是U形缺口和V形缺口，本实验使用的是GB/T229-1994规定10×10标准夏氏V型缺口试样，其尺寸为：10mm10mm55mm,2mm深V形缺口12mm，（如图2）这里指出，用V型缺口试样测定的冲击吸收功用AKV表示，用U型缺口试样测定的冲击吸收功用AKU表示。
3、低温脆性
对于体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，特别是中低强度结构钢（F-P钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态转变为脆性状态，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型，断口形貌由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度tk为韧脆转变温度。
低温脆性是材料的屈服强度随温度的降低急剧增加的结果。如图3所示，随着温度的降低，材料的屈服点s升高，
但其解理断裂强度c却变化很小，于
是两条线相交于一点，交点对应的温
度即为tk。高于tk时，cs，材料
受载后先屈服再断裂；低于tk时，外
力先达到c，材料变现为脆性断裂。
图3 s和c随温度变化
三、实验设备及材料
1、实验设备：冲击试验机、保温瓶、热电偶测温计。
2、实验材料：20Cr(10mm10mm55mm,2mm深V形缺口）、液氮、无水乙醇。
四、实验内容
1、试样预处理
首先，取6个保温瓶，分别加入少量的无水乙醇（可没过试样即可）。然后取18个V形缺口试样，分别放入6个保温瓶内（每组3个）完全浸没在无水乙醇中。再在每一个保温瓶中，分别插入数字显示式热电偶。一切准备就绪后，开始向每一个保温瓶中倾倒液氮，通过控制加入液氮量的多少，把6组试样的温度分别控制在室温、0℃、-25℃、-35℃、-45℃和-65℃左右，最后保温15分钟，使每一个保温瓶内的温度稳定下来。
2、冲击试验
保温结束后，开始对每一组试样进行缺口冲击试验。在取试样前先记录试样所在保温瓶的温度，把冲击试验机调好是其处于待命状态。然后迅速用夹具取出试样，迅速准确地把试样置于试验机在载物台上，保证摆锤轴向与缺口中心线一致。最后，马上启动试验机使摆锤落下，冲击试样，记录表盘上所指示的冲击吸收功用AKV。
3、观察断口
所有试样冲击完成后，把6组试样收集在一起，观察其断裂形貌，分析其韧脆转变的倾向。
五、试验结果及分析
1、实验结果
对6组试样全部进行完冲击试验后，整理试样温度和冲击吸收功等数据，得到如表1所示的试验数据。
表1 试验数据
2、结果分析
根据表1中的数据，做出冲击吸收功AKV随试验温度的变化曲线，如图4所示：
分析图4，可以清晰地得出缺口试样在做冲击试验时，其冲击吸收功AKV随温度的降低下降明显，关系十分明确。冲击吸收功AKV减小，可以定性的反映出
材料的脆性有所增大，因此，可以得出随着温度的降低，材料脆性变大的结论。从而验证了材料的低温脆性。
3.断裂形貌分析
通过对六组试样的断裂形貌做宏观的观察对比，第一组试样（室温下）的断裂有明显的塑性变形，且没有完全断开；第六组试样（-69℃）完全断开，且断口平齐，表现为脆断；试样从按温度从高到低，其断裂塑性变形越来越不明显，断裂形貌越来越倾向于脆性断裂，这也从另一反面验证了材料会出现低温脆性的规律。
4、误差分析
本实验的误差主要来自于三个方面：
（1）由于操作不准确，摆锤轴向与试样缺口中心线不一致，导致位能没有 完全用于冲击试样；
（2）缺口的加工误差会对实验结果造成重要影响；
（3）试样本身材料的轧制方向不同，会在不同的方向呈现不同的力学性能， 对试验结果产生重要影响。
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