如何提高金属材料的冲击韧性？

冲击载荷引起的应力比静载荷大，因此具有更大的破坏性。对于承受冲击载荷作用的材料，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧性。金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。目前，工程技术上常用一次摆锤冲击试验来测定金属承受冲击载荷的能力，如图1-12所示。

图1-12　夏比冲击试验原理及冲击试验机

（a）试验原理；（b）冲击试验机

1.1.3.1　摆锤式一次冲击试验

首先，将被测金属按照国家标准制成带有U形或V形缺口（试样上开缺口是为了将试样从缺口处击断，脆性材料不开缺口）的标准试样，如图1-13所示。然后，将试样放在冲击试验机的支座上，使缺口背向摆捶。将具有一定质量的摆捶升起到一定高度h1，使之自由落下将试样击断。在惯性的作用下，击断试样后的摆捶会继续升至一定高度h2。根据能力守恒原理，击断试样所消耗的功AK=mg（h1-h2），AK又称为冲击吸收功，其值可以从试验机的刻度盘上直接读出。AK与试样缺口处横截面积S的比值，称为该材料的冲击韧性，用符号αK表示，单位为J/cm2，即

资源1-7　摆锤式一次冲击试验

冲击韧性值越大，表明材料的韧性越好，受到冲击时不易断裂。冲击韧性值的大小受很多因素影响，不仅与试样形状、表面粗糙度、内部组织有关，还与试验时的环境温度有关。

图1-13　冲击试样(www.xing528.com)

（a）U形缺口；（b）V形缺口

有些金属材料在室温时并不显示脆性，而在较低温度下则可能发生脆断。温度对冲击吸收功的影响如图1-14所示。由图1-14可见，冲击吸收功的值随着试验温度的下降而减小。材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。金属的韧脆转变温度越低，说明金属的低温抗冲击性能越好。韧脆转变温度是衡量金属冷脆倾向的指标。例如非合金钢的韧脆转变温度约为-20℃，因此在较寒冷（低于-20℃）地区使用的非合金钢构件，如车辆、桥梁、运输管道等在冬天容易发生脆断现象。因而在选择金属材料时，应考虑其工作条件的最低温度必须高于它的韧脆转变温度。

图1-14　韧脆转变温度示意图

1.1.3.2　小能量多次冲击试验

在实际工作中，金属经过一次冲击就断裂的情况极少，许多零件在工作时都经受着小能量的多次冲击。在多次冲击下导致金属产生裂纹、裂纹扩张和瞬时断裂，其破坏是每次冲击损伤积累发展的结果。因此需要采用小能量多次冲击作为衡量这些零件承受冲击抗力的指标。

小能量多次冲击试验如图1-15所示。试验时试样受到试验机锤头的能量多次冲击。测定被测试样在一定冲击能量下，最后产生断裂的冲击次数，即为金属材料的多次冲击抗力。

图1-15　小能量多次冲击试验示意图

金属的韧性通常用冲击韧性和断裂韧性来衡量。韧性越低，表明金属发生脆性断裂的倾向越大。当冲击能量低、冲击次数较多时，材料的多次冲击抗力取决于材料的强度；当冲击能量较高、冲击次数较少时，材料的冲击抗力主要取决于塑性和韧性。

汽车发动机中的活塞、活塞销、曲轴、连杆等零件在工作中就受到冲击载荷的作用，所以应采用韧性好的材料制造。

【案例1-4】　泰坦尼克号后经分析，当时造船工程师只考虑到要增加钢板的硬度，而没有想到增加其韧性。为了增加钢板的硬度，工程师往炼钢炉料中加入了大量的硫化物，导致钢材在低温下的脆性大大增加。经试验，从海底打捞出来的钢材在当时的水温下，在受到可能强度的撞击下，很快断裂，而拿当今用于造船的钢板在同样的温度和撞击强度下进行对比试验，结果钢板只是变成V形，而不断裂。