沖擊韌性原理分析

沖擊韌性（沖擊值）ak

工程上常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定材料抵抗沖擊載荷的能力，即測定沖擊載荷試樣被折斷而消耗的沖擊功Ak，單位為焦耳（J）。

而用試樣缺口處的截面積F去除Ak，可得到材料的沖擊韌度（沖擊值）指標，即ak=Ak/F，其單位為kJ/m²或J/cm²。

因此，沖擊韌度ak表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。ak值的大小表示材料的韌性好壞。

一般把ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材料。

ak值取決于材料及其狀態(tài)，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關系。ak值對材料的內(nèi)部結構缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會使ak值明顯降低；同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應力集中程度越大，越容易變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現(xiàn)出來的脆性越高。因此不同類型和尺寸的試樣，其ak或Ak值不能直接比較。

材料的ak值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，ak值發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tk）”。

沖擊韌性或沖擊功試驗（簡稱"沖擊試驗"），因試驗溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗三種；若按試樣缺口形狀又可分為"V"形缺口和"U"形缺口沖擊試驗兩種。

沖擊韌性（ ak ）：材料抵抗沖擊載荷的能力，單位為焦耳/ 平方厘米（ J/cm² ）

代號：аk

單位：J/cm²

簡介：將沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積所得的商。

注：用夏氏U形缺口試樣求得的沖擊功和沖擊值，代號分別為AkU和akU；用夏氏V形缺口試樣求得的沖擊功和沖擊值，代號分別為AKV和аkV。

用一定尺寸和形狀的金屬試樣，在規(guī)定類型的沖擊試驗上受沖擊負荷折斷時，試樣刻槽處單位橫截面上所消耗的沖擊功，稱為沖擊 韌性以ak表示。

常用的10×10×55mm，帶2 mm深的V形缺口夏氏沖擊試樣，標準上直接采用沖擊功（J焦耳值）Ak，而不是采用αK值。因為單位 面積上的沖擊功并無實際意義。

沖擊功對于檢查金屬材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化最為敏感，而實際服役條件下的災難性破斷事故，往往與材料的沖擊功及服役溫 度有關。 因此在有關標準中常常規(guī)定某一溫度時的沖擊功值為多少 、還規(guī)定FATT（斷口面積轉(zhuǎn)化溫度）要低于某一溫度的技術條件。所謂FATT，即一組在不同溫度下的沖擊試樣沖斷后，對沖擊斷口進行評定，當脆性斷裂占總面積的50%時所對應的溫度。

由于鋼板厚度的影響，對厚度≤10mm的鋼板，可取得3/4小尺寸沖擊試樣（7.5×10×55mm）或1/2小尺寸沖擊試樣（5×10×55mm）。但是一定要注意，同規(guī)格及同一溫度下的沖擊功值才可相互比較。只有在標準規(guī)定的條件下，才可按標準的換算方法，折算 成標準沖擊試樣的沖擊功，再相互比較。

沖擊韌度是通過沖擊實驗來測定的。這種實驗在一次沖擊載荷作用下顯示試件缺口處的力學特性（韌性或脆性）。雖然試驗中測定的沖擊吸收功或沖擊韌度，不能直接用于工程計算，但它可以作為判斷材料脆化趨勢的一個定性指標，還可作為檢驗材質(zhì)熱處理工藝的一個重要手段，這是因為它對材料的品質(zhì)、宏觀缺陷、顯微組織十分敏感，而這點恰是靜載實驗所無法揭示的。

沖擊韌性類型及名稱

測定沖擊韌度的試驗方法有多種。國際上大多數(shù)國家所使用的常規(guī)試驗為簡支梁式的沖擊彎曲試驗。在室溫下進行的實驗一般采用GB/T229-1994標準《金屬夏比沖擊試驗方法》，另外還有“低溫夏比沖擊實驗”，“高溫夏比沖擊實驗”。由于沖擊實驗受到多種內(nèi)在和外界因素的影響。要想正確反映材料的沖擊特性，必須使用沖擊實驗方法和設備標準化、規(guī)范化，為此我國制定了金屬材料沖擊實驗的一系列國家標準（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。

沖擊韌性實驗設備

沖擊試驗機、游標卡尺

沖擊韌性實驗原理

沖擊試驗利用的是能量守恒原理，即沖擊試樣消耗的能量是擺錘試驗前后的勢能差。試驗時，把試樣放在圖2-28的B處，將擺錘舉至高度為H的A處自由落下，沖斷試樣即可。擺錘在A處所具有的勢能為：

E=GH=GL（1-cosα）

沖斷試樣后，擺錘在C處所具有的勢能為：

E1=Gh=GL（1-cosβ）。

勢能之差E-E1，即為沖斷試樣所消耗的沖擊功AK:AK=E-E1=GL（cosβ-cosα）

式中，G為擺錘重力（N）；L為擺長（擺軸到擺錘重心的距離）（mm）；α為沖斷試樣前擺錘揚起的最大角度；β為沖斷試樣后擺錘揚起的最大角度。

沖擊韌性實驗步驟

1.測量試樣的幾何尺寸及缺口處的橫截面尺寸。

2.根據(jù)估計材料沖擊韌性來選擇試驗機的擺錘和表盤。

3.安裝試樣。

4.進行試驗。將擺錘舉起到高度為H處并鎖住，然后釋放擺錘，沖斷試樣后，待擺錘揚起到最大高度，再回落時，立即剎車，使擺錘停住。

5.記錄表盤上所示的沖擊功AKU值。取下試樣，觀察斷口。試驗完畢，將試驗機復原。

6.沖擊試驗要特別注意人身的安全。

沖擊韌性實驗結果處理

計算沖擊韌性值。

1、材料成份：含碳量對鋼的韌-脆轉(zhuǎn)化曲線有影響。隨著鋼中含碳量的增加，冷脆轉(zhuǎn)化溫度幾乎呈線性地上升，且最大沖擊值也急劇降低。鋼的含碳量每增加0.1%，冷脆轉(zhuǎn)化溫度升高約為13.9度。鋼中含碳量的影響，主要歸結為珠光體增加了鋼的脆性。

2、晶粒大小：細化晶粒一直是控制材料韌性避免脆斷的主要手段。理論與實驗均得出冷脆轉(zhuǎn)化溫度與晶粒大小有定量關系。

3、顯微組織：在給定強度下，鋼的冷脆轉(zhuǎn)化溫度決定于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。就鋼中各種組織來說，珠光體有最高的脆化溫度，按照脆化溫度由高到低的依次順序為：珠光體，上貝氏體，鐵素體下貝氏體和回火馬氏體。 2100433B

熱沖擊韌性是國際上普遍采用的性能指標，尤其對于高品級金剛石而言，是決定其使用性能優(yōu)劣的必不可少的質(zhì)量指標之一。

工業(yè)應用中，熱沖擊韌性是衡量金剛石耐熱性的指標，其數(shù)值大小表示金剛石熱穩(wěn)定性的高低。