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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冲击性能实验报告课程名称：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：2实验地点：实验室报告完成时间：2姓名：学号：班级：材同组实验者：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
2、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2V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
3、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1010标准夏氏V型缺口试样，其尺寸为：10mm?10mm?55mm,2mm深V形缺口12mm，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，在试验温度
4、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，?c?s，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(10mm?10mm?55mm,2mm
5、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。然后取18个V形缺口试样，分别放入6个保温瓶内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，
6、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
7、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，第一组试样的断裂有明显的塑性变形，且没有完全断开；第六组试样完全断开，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：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；缺口的加工误差会对实验结果造成重要影响；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。六、体会冲击载荷下材
8、料的力学性能chongjizaihexiacailiaodelixuexingneng冲击载荷下材料的力学性能mechanicalpropertiesofmaterialsunderimpulsiveload在持续短暂时间的强载荷作用下，材料会发生变形和破坏，相应的组织结构和性能也会发生永久性的变化。冲击载荷下材料的变形行为，表现为变形同应力、应变率、温度、内能等变量之间的复杂关系，包括屈服应力和流动应力的应变率效应、温度效应及应变率的历史效应等等。描述这种关系可用高压固体状态方程和各种本构方程。在冲击载荷的作用下，材料有多种动态破坏形式，主要表现在以下几个方面：局部大变形；温度效应引起的绝热
9、剪切破坏；应力波相互作用造成的崩落破坏；应变率效应引起的动态脆性。这几方面的力学性能都以各种时效、热与机械功的耦合以及有限的体积变形和塑性畸变为特征，这些特征有时是同时存在的，有时则某一点更为突出。冲击载荷在材料中引起的微观组织的特殊变化，有些是不可逆的，在载荷去掉之后，对材料的力学性能仍然有明显的影响，这种现象称为冲击载荷的遗留效应。机械碰撞和各种形式的爆炸载荷是最常见的冲击载荷。它们的强度一般至少都足以引起材料的塑性变形，而载荷持续的时间则从纳秒、毫秒至秒的量级。通常根据受冲击载荷作用的材料的质点速度和特征强度将冲击载荷分为低速、中速、高速三种，受冲击载荷作用的材也需要考虑，相应地有各种描
10、述变形过程的本构关系。高速冲击载荷/约为1010与材料强度有关的诸效应退居次要地位，而以体积压缩变形和热的耦合为主要特征。介质变形可按照可压缩流体处理，其变形行为可用各种高压状态方程描述。高速冲击载荷下材料变形的描述材料在高速冲击载荷下的变形行为，通常用以内能、体积和压力为参量的高压固体状态方程描述。这种方程反映固体在大体积变形的情况下体积变形功和固体内能之间的关系。米格吕内森方程是最常用的高压固体状态方程：58a1，式中为压力；为体积；为内能；为格吕内森系数；58a210帕。在更高的压力下，不同物质的结构为“冷”压；为“冷”内能，反映晶体点阵的势能该方程适用于已不存在，物质成为某种统一的状态
11、(如电子核体系)。适用于这种情况的状态方程有托马斯-费密方程(TF方程)和托马斯-费密-狄克方程等。在爆炸力学中还常用许多经验性的高压固体状态方程，适用于和米格吕内森方程相仿的压力区间，如蒂洛森方程：58-01质的内能）;为物质常数;、式中=+1=/、；和分别为初始密度和密度;为比内能。中低速冲击载荷下材料变形的描述在中、低速冲击载荷作用下材料的变形行为主要涉及应变率和温度效应，对变形行为的描述有各种形式的本构方程。应变率和温度效应在中低速冲击载荷作用下,材料不同程度地表现出各种时效，主要是应变率效应。高应变率效应往往相当于低温效应。常用一个温度和应变率组合而成的参量ln来表示温度和应变率对应
12、力-应变关系、屈服应力和流动应力产生的综合效应。分述如下：屈服应力的应变率效应和温度效应屈服应力随Z-H参量增大而降低。在高应变率条件下,会发现载荷虽已超过屈服应力，但屈服现象并不立即出现，如冲击载荷下材料的力学性能碳钢的塑性变形可滞后几十微秒才发生，这称为屈服滞后。流动应力的应变率效应和温度效应在应变率为1010秒的范围内,流动应力大致随应变率的对数呈线性变化。参量59-01一般随温度和应变的增大而增大。对于大多数金属,的范围约为1010帕。如钼约为7210帕,铍为1810帕，钛合金约为5010帕。在10秒处,多数金属材料的流动应力随应变率的提高而剧增。应变率效应表示材料对过去应变率不会立即
13、“忘却”如在剪应变率59-06发生跳跃(由59-06)的实验中,跳跃后的应力-应变曲线并不立即与恒定59-06跳到59-06条件下的曲线重合。图1铝合金()在两种恒应变率和应变率由低跳高时的应力应变曲线发生跳跃时的应力-应变曲线,当剪应变达到约(、)时，剪应变率从59-06变曲线与恒定59-06条件下的曲线不重合。给出三个实验中剪应变率突然跳到59-06，这时的应力-应弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛弹性前驱波就是一维应变下的弹性纵波，它本应以恒速、恒幅向前传播。冲击实验发现，弹性前驱波虽然是恒速，但波幅却随传播距离而衰减，而且在波峰后，有一段应力下降,然后才出现高幅度的塑性波。图2弹性前驱波的
14、波幅衰减和应力松弛中不同位置和时刻的应力波形，表明弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛。这些都与波阵面上较大的塑性畸变密切相关。目前用位错运动的微观模型可以解释并计算模拟上述现象。本构方程这里研究的本构方程是指材料在中、低速冲击载荷作用下，变形过程中诸力学量相互关系的物性方程。根据中、低速冲击载荷下材料变形的种种现象，本构方程应能包括应变率、温度、变形历史等等，从而能综合描述各种时效以及有限变形效应。但目前还没有一个本构方程能够概括所有这些效应。常见的本构方程有：索科洛夫斯基马尔文方程：59-02式中为塑性应变率；()为准静态应力;和为待定常数。这是一个一维的率型方程。塑性应变率反映为过应力-()的粘性。奥罗万吉尔曼方程：59-03量的大小；和式中分别为初始位错密度和可动位错密度;和和59-06分别为塑性剪应变和塑性剪应变率;为伯格斯矢分别为平均位错速度和极限位错速度;为位错增殖密度;为剪应力;为位错的特征阻滞应力;为应变强化系数。这是基于位错理论的本构方程。佩日纳方程：59-04其中59-05压力速率；式中为应变率偏量;和分别为应力偏量和应力偏量速率；为静水为塑性功；()为材料物理状态为应力偏量第二不变量；、分别为剪切模量、杨氏模量和泊松比;的函数；为一常数。佩日纳方程是索科洛夫斯基-马尔文方程的三维推广,
