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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料的低温脆性金属材料系列冲击实验与低温脆性陈国滔材科一、实验目的1.了解材料韧性的特点及冲击实验对材料韧性检测的效果；2.通过测定低碳钢、工业纯铁和T8钢在不同温度下的冲击吸收功，观察比较金属韧脆转变特性；3.学习低碳合金钢韧脆转化温度的测定方法,通过结合夏比冲击实验归纳找出降低金属韧性的致脆因素。二、实验原理1.金属夏比冲击实验原理夏比冲击实验是将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击实验机的试样支座上，使之处于简支梁状态。然后用规定高度的摆锤对试样进行一次性打击，实质上就
2、是通过能量转换过程，测量试样在这种冲击下折断时的冲击吸收功。试样的冲击吸收功在实验中用摆锤冲击前后的位能差测定如下所示：A摆锤起始位能;A1摆锤打击试样后的位能。如不考虑空气阻力及摩擦力等能量损失，则冲断试样的吸收功为：F摆锤的重力，N；L摆长(摆轴至锤重心之间的距离)，mm；冲击前摆锤扬起的最大角度，弧度；冲击后摆锤扬起的最大角度，弧度。2.钢铁韧脆转变温度原理脆性断裂是一种快速的断裂，断裂过程吸收能量很低，断裂前及伴随着断裂过程都缺乏明显的塑性变形。而对于bcc结构的钢铁，在一个有限的温度范围内，受到冲击载荷作用发生断裂时吸收的能量会发生很大的变化。这种现象就是韧脆转变。当足够高温时，钢铁
3、一般是晶体结构，温度的上升会导致晶体键的断裂，而钢仍为较硬的固态，所以此时的钢铁变脆容易折断。当足够低温时，脆性受临界解理应力和临界分切应力的影响，两者随着温度降低而升高，在某一温度两者相等，其对应温度就是Tc，这个温度就是韧脆转变温度。继续降温，屈服强度继续升高，大于断裂强度，所以低温下材料在没有塑性变形的条件下已经发生脆性断裂。材料的断裂强度受温度影响较小。当温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态转变为脆性状态，此时的温度为韧脆转变温度。3.韧脆转变温度确定原理实验通过改变实验温度，进行一系列冲击实验以确定材料从人性过渡到脆性的温度范围，称为“系列冲击实验”。韧脆转变温度就是Ak-T曲线上
4、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。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。脆性断裂百分数的测量：在显微镜下观察断裂试样的断裂面，脆性断裂部分一般是白亮的梯形，通过测量计算可得出梯形的面积，按下式计算出脆性断裂百分数：脆性断裂百分数?%?脆性区面积端口横截面积?100%。三、实验器材1、实验材料：低碳钢(Q235)、工业纯铁和T8钢。2、实验器材：冲击实验机；本实验中采用夏比试样，即截面为的方棒，一面中间有深为的型缺口试样。冲击试样开缺口的目的是使缺口附近造成应力集中，保证在缺口处破断。
5、缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，值越小，材料表现的脆性越大；）；工具显微镜和15OJ(10J)两档，打击瞬间摆锤的冲击速度在/s之间，这些均符合GB/T229-1994标准的要求。其他技术条件应符合GB3808规定，并应定期按JJG145检定。3.测温仪器，高温冲击实验时，一般采用热电偶测温，低温冲击实验时，一般采用最小分度值不大于1的玻璃温度计。测温仪器(数字指示装置或电位差计)的误差应不超过%。热电偶参考端温度应保持恒定，偏差应不超过。4.介质：在高温或低温冲击实验中，可使用各种方法加热或冷却试样，实验用介质应安全、无毒，不腐蚀金属。使用的介质如下所示：使用液体
6、介质加热或冷却试样时，恒温槽应有足够容量和介质，并应有使介质温度均匀的装置。对于高温或低温冲击实验，温度控制装置应能将实验温度稳定在规定值的2之内。五、实验步骤1、检查摆锤空打时被动指针的回零差。回零差不应超过最小分度值的四分之一；检查试样尺寸的量具最小分度值应不大于；2、确定样品各测量温度。并为Q235、纯铁、T8等不同温度下的试样进行标号；3、调试温度，以达到试样规定的实验温度。高温样品用热水升温，低温样品用液氮和酒精降温，从而得到不同所需温度的样品；4、读出保温瓶中温度计示数并记录下来，作为样品的冲击温度，然后独立进行冲击实验操作，得出冲击功并记录下来；试样从液体介质中移出至打击的时间应
7、在2s之内，试样离开气体介质装置至打击的时间应在1s之内。如果不能满足上述要求，则必须在3-5s内打断试样，此时应采用过冷或过热试样的方法补偿温度损失。对于高温实验，应充分考虑过热对材料性能的影响。5、在工具显微镜上观察冲击试样断口；6、计算脆性断面率；7、整理实验仪器及样品；8、数据处理及分析。六、实验数据以下表1和表2是小组1和小组2测量各种钢铁在不同温度下的冲击吸收功和脆性断面率。七、实验数据处理及分析根据上述表中数据。绘制冲击功Ak-T曲线和断口脆性区面积百分数-温度T曲线，综合两个小组的数据，得到如下：Q235低碳钢：利用origin进行拟合，获得其韧脆转变温度曲线如下：图1拟合过程
8、所得参数及由图像读出的韧脆转变温度列表如下：第一章单向静拉伸力学性能1、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。1、决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。2、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】答：韧性断裂是金属材料断裂
9、前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。3、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。4、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因
10、试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。第二章金属在其他静载荷下的力学性能说明下列力学性能指标的意义材料的抗压强度材料的抗弯强度材料的扭转屈服点材料的抗扭强度材料的抗拉强度NSR材料的缺口敏感度HBW压头为硬质合金球的材料的布氏硬度HRA材料的洛氏硬度HRB材料的洛氏硬度HRC材料的洛氏硬度HV材料的维氏硬度缺口试样拉伸时的应力分布有何特点？在弹性状态下的应力分布：薄板：在缺口根部处于单向拉应力状态，在板中心部位处于两向拉伸平面应力状态。厚板：在缺口根部处于两向拉应力状态，缺口内侧处三向拉伸平面应变状态。无论脆性材料或塑性材料，都因机件上的缺口造成两向或三向应
11、力状态和应力集中而产生脆性倾向，降低了机件的使用安全性。为了评定不同金属材料的缺口变脆倾向，必须采用缺口试样进行静载力学性能试验。六、试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。偏斜拉伸试验：在拉伸试验时在试样与试验机夹头之间放一垫圈，使试样的轴线与拉伸力形成一定角度进行拉伸。该试验用于检测螺栓一类机件的安全使用性能。光滑试样轴向拉伸试验：截面上无应力集中现象，应力分布均匀，仅在颈缩时发生应力状态改变。缺口试样轴向拉伸试验：缺口截面上出现应力集中现象，应力分布不均，应力状态发生变化，产生两向或三向拉应力状态，致使材料的应力状态软性系数降低，脆性增大。偏斜拉伸试验：试样同时
12、承受拉伸和弯曲载荷的复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，更能显示材料对缺口的敏感性。七、试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的实验原理，并比较布氏、洛氏与维氏硬度试验方法的优缺点。原理布氏硬度：用钢球或硬质合金球作为压头，计算单位面积所承受的试验力。洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度。维氏硬度：以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，计算单位面积所承受的试验力。布氏硬度优点：实验时一般采用直径较大的压头球，因而所得的压痕面积比较大。压痕大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相得平均性能；另一个优点是实验数据稳定，重复性强。缺点：
13、对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。洛氏硬度优点：操作简便，迅捷，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测量各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检测。缺点：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此外用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。维氏硬度优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；维氏硬度试验时不仅试验力可以任意取，而且压痕测量的精度较
14、高，硬度值较为准确。缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低的多。八.今有如下零件和材料需要测定硬度，试说明选择何种硬度实验方法为宜。渗碳层的硬度分布-努氏HK或-维氏显微HV淬火钢-HRC灰铸铁-HB(布氏）鉴别钢中的隐晶马氏体和残余奥氏体-维氏显微HV或者努氏HK仪表小黄铜齿轮-维氏HV龙门刨床导轨-HS或HL(里氏硬度)渗氮层-维氏HV高速钢刀具-洛氏HRC退火态低碳钢-布氏HB硬质合金-洛氏HRA第三章金属在冲击载荷下的力学性能四、试说明低温脆性的物理本质及其影响因素低温脆性的物理本质：宏观上对于那些有低温脆性现象的材料，它们的屈服强度会随温度的降低急剧增加，而断裂强度随温度的降低而变化不大。当温度降低到某一温度时，屈服强度增大到高于断裂强度时，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，当温度降低时，位错运动阻力增大，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加。影响材料低温脆性的因素有：1晶体结构：对称性低的体心立方以及密排六方金属、合金转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差。2化学成分：能够使材料硬度，强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。3显微组织：晶粒大小，细化晶粒
