金属材料冲击韧性的优化探究

在进行拉伸试验时，会发现某些金属（如低碳钢、铜、黄铜等）在拉断前有显著的塑性变形，而另一些金属（如生铁、淬硬钢等）在拉断前没有什么变形或变形不大。

在显著变形之后被拉断的金属叫做韧性金属，这种断裂叫做韧性断裂。

没有变形或变形不大即被拉断的金属叫做脆性金属，这种断裂叫做脆性断裂。

许多试验证实：金属的断裂形式不仅与其本身的性质有关，而且与加载的速度有关。某些韧性金属当加载速度很大时，也可能发生脆性断裂，这说明当载荷作用速度达到一定程度时可以使金属变脆。

在实际应用中有许多机器零件和工具是在冲击载荷下工作的，例如蒸汽锤的锤头和锤杆、压力机上的零件、冲膜、热锻模及风动工具等。对于承受冲击载荷的零件，很明显，它们仅满足抗拉强度的要求是不够的，还必须具有足够的冲击韧度。

为了测定金属的冲击韧度，要在专用的冲击试验机上进行试验。常用的为摆锤冲击试验机。

按照GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》的规定，冲击试验采用的标准试样如图1-4所示，其尺寸按表1-18的规定。

图1-4 夏比冲击试样

a）V型缺口 b）U型缺口

表1-18 试样的尺寸与偏差（GB/T 229—2007） （单位：mm）

①除端部外，试样表面粗糙度Ra应优于5μm。

②如规定其他高度，应规定相应偏差。

③对自动定位试样的试验机，建议偏差用±0.165mm代替±0.42mm。

试验时将试样放在试验机的两个支座上，使其缺口背向摆锤的冲击方向，如图1-5所示。然后将质量为G的摆锤升起到h₁的高度，摆锤自此高度下落将试样冲断，并升起到h₂的高度，如图1-6所示。(www.xing528.com)

冲断试样所消耗的能量KV（J）为

KV=G（h₁-h₂）

图1-5 试样与摆锤冲击试验机支座及砧座相对位置示意图

若摆锤在冲击前、后所升起的高度用其相应的扬角α₁和α₂表示，则冲断试样所消耗的能量KV（J）为

KV=Gl（cosα₂-cosα₁）

式中 G——摆锤的质量（kg）；

l——从摆锤支承轴到摆锤重心的距离（m）；

α₁——冲击试验前摆锤的扬角（°）；

α₂——冲击试验后摆锤的扬角（°）。

其中G、l为常数，每次试验时α₁也为常数，而α₂可由摆锤冲击试验机的刻度盘上读出，然后代入公式即可算出KV（V型缺口试样）或KU（U型缺口试样）值。

图1-6 冲击试验原理

应当指出：有些冲击试验机刻度盘上的刻度并不表示α₂角，而直接表示根据α₂计算出的KV值，因此在这种冲击试验机上进行试验时，KV或KU值不需要计算，直接从刻度盘上读出即可。