材料分析技术(示波冲击试验)

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1、现代材料分析技术《示波冲击试验》一．材料的断裂行为断裂是材料在外力作用下丧失连续性的过程，是工程构件的主要破坏形式。断裂可分为三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展和失稳断裂材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。1．韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。2．脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而

2、具有很大的危险性。防止脆断一直是人们研究的重点。3．脆性断裂的原因在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大时，尤其在那些高度应力集中的特征点(例如内部和表面的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应力为平均应力的数倍时，此过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。虽然与此同时，由于外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。因此，断裂源往往出现在材料中应力集中度很高的地方，并选择这种地方的某一个缺陷(或裂纹、伤痕)而开裂。韧性又分断裂韧性和冲击韧性两大类。断裂韧性是表征材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性

3、能指标；（已经讲过）冲击韧性则是对材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。本章重点介绍材料的冲击韧度二、材料的冲击韧度1、冲击韧度的定义实践中发现，材料的力学性能有时与变形速率有关。一般相对变形速率在10-4～10-2秒范围时，性能变化不明显，可按静载处理；若相对变形速率大于10-2／秒，性能将发生显著变化。变形速率增大，则韧性下降，材料变脆。许多机器零件在工作时要遇到冲击载荷：火车开车、刹车、改变速度时，车辆间的挂勾要受到冲击；还有些机械就是利用冲击负荷工作的，如锻锤、冲床、凿岩机等。因此了解材料承受冲击负荷的能力十分必要。冲击韧性为材料单位面积所吸收的冲击功，常

4、用ak表示式中，Ak表示材料受到冲击断裂时所吸收的能量，可以通过冲击试验机直接测量，单位J；F为试样的截面积，单位cm2.2、冲击韧度的应用①冲击功对材料的宏观缺陷、显微组织的差异等非常敏感，长期以来有效地用来检定钢材质量和判断冶金、加工和热处理规程的适宜性，籍以控制和稳定产品质量。②冲击功对温度十分敏感，通常从低温到高温进行冲击系列试验，测定韧脆转变趋势和转变温度。为防止金属构件的冷脆、蓝脆及重结晶脆性，并能大致估算出构件容许工作温度，可提供一种经验性判据。③由于冲击试验测出的冲击功对缺口非常敏感，因此用来评定金属对大能量一次载荷的缺口敏感性。④多年来常用冲击试验测定钢材时效前后的

5、冲击功，确定钢材的时效敏感性。⑤由于冲击试验设备简便，试样加工容易，试验时间短。3、实验方法冲击试验机是测定材料冲击韧度的专用设备。按冲击方式可分为落锤式、摆锤式和回转圆盘式冲击试验机；按受力状态可分为弯曲（包括简支梁式弯曲和悬臂梁式弯曲）冲击、拉力冲击和扭转冲击试验机。应用最广泛的是摆锤和落锤式冲击试验机。1）摆锤冲击试验原理它是利用摆锤冲击试件前后的能量差，来确定冲断该试件所消耗的功Ak，该冲击功Ak，通常可从试验机的度盘上直接读取。冲击韧性为材料单位面积所吸收的冲击功，常用ak表示2）落锤冲击试验原理落锤试验机是在已知力学约束条件下测量材料对固有断裂扩展的抗力。其主要的特点是：

6、冲击能量大、结构简单、紧凑冲击能量可以通过控制落锤提升高度和落锤重量大小来进行变化。落锤试验机的基本原理是利用锤头的自由落体运动，测量试样冲击前后的势能差值。实质就是一个能量转化过程：电动能→势能→动能→试样破坏能量。本质上通过测试落锤冲击前的速度Vmax的测试，落锤冲击试样后的速度Vmin，确定材料的冲击功Ak。根据材料的不同，可以通过调整落锤重量、冲击高度和冲击速度，测试不同材料的冲击韧度。3）常用冲击试样所用试样如图所示，几种不同试样的区别在于缺口的形状不同。同种材料，试样的缺口越深，越尖锐，塑性变形的体积越小，冲击功越小，材料就越脆。因此，不同类型和尺寸试样的冲击值不能相互比

7、较。三、示波冲击试验1、传统冲击实验的缺陷1）测出的冲击性能单一。只能测冲击功，而且所测的冲击功缺乏明确的物理意义，不能作为表征金属结构件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据，只能相对近似地表征金属抵抗己发生断裂的再扩展能力。2）冲击功不能代表试样断裂前的吸收总功。因为冲断试样消耗的总功可以分为两个部分：其一，消耗在试样的变形及断裂：其二，消耗在试样的抛出功、机座本身的震动、轴的摩擦等。因此，冲击功为：Ak＝试样断裂吸收的能量+试样抛出功十机座震动十轴摩擦……一