应用冲击试验：破解难题的介绍

1.表示材料抵抗冲击载荷能力 到现在为止，冲击试验是工程上获得材料动态强度和变形能力最方便、最简单的方法，所以习惯上用冲击值来表示材料抵抗冲击载荷能力的大小。冲击抗力有明显的体积效应和波传导特点，与载荷和变形速度有很大关系。因冲击试验是在特定试验条件（加载速度、试样尺寸和缺口形状）下获得的，所以冲击试验得到的冲击值大，并不一定是实际结构件冲击抗力也大；冲击试样的韧脆转变温度并不一定是实际结构件的韧脆转变温度。另外，冲击值是一个能量概念，它包含着强度和塑性两方面的贡献。强度高塑性低些的材料可以有较高的冲击值，强度差些而塑性较好的材料也可以有较高的冲击值。对于前一种情况，虽然冲击值不低，但机件在服役过程中，仍然会有不能忽视的脆性倾向。因此，用冲击值表示冲击抗力和脆性倾向，不能用于定量计算，有很大的条件性，并且具有明显的经验性质。

图6-63 硼含量对40MnB钢冲击值的影响

图6-64 晶粒尺寸对韧脆转变温度T_t的影响

2.检验材料的品质、内部缺陷及工艺质量等 经验表明，冲击试验在检验材料的品质、内部缺陷及工艺质量等方面非常敏感。例如，疏松、夹杂、流纹、白点、过烧、过热，以及变形时效、回火脆性等，都可以从冲击值大小明显反映出来。例如，中碳结构钢40MnB硼含量极微，但对淬透性有重大影响。硼含量稍微过量，将有脆性“硼相”自晶界析出，大大降低冲击值，图6-63所示为硼含量对40MnB钢冲击值的影响。晶粒大小对冲击值和韧脆转变温度有重大影响，图6-64所示为纯铁和w（Ni）为36%的铁晶粒尺寸对韧脆转变温度T_t的影响。不同处理方式，对冲击值也有明显影响。图6-65所示为30CrMnSi钢370℃等温淬火和淬火+500℃回火不同试验温度的冲击值，其强度水平基本相同（R_m=1260～1270MPa）条件下的冲击值有明显差别。18CrEiW钢890℃加热，油冷得到低碳马氏体，炉冷得到粒状贝氏体，空冷得到低碳马氏体与粒状贝氏体混合组织，不同回火温度，室温15℃冲击吸收能量KV及韧脆转变温度T_t曲线如图6-66所示。

图6-65 30CrMnSi钢370℃等温淬火和淬火+500℃回火不同试验温度的冲击值

图6-66 18CrNiW油冷、空冷、炉冷三种冷却方式、不同回火温度的冲击吸收能量KV和韧脆转变温度T_t曲线

对钢来讲，随试验温度变化，在某些温度范围，材料冲击吸收能量呈现急剧下降（图6-67）。常用冲击试验来检验材料脆性发展情况（如冷脆、蓝脆、重结晶脆、红脆等现象），冷脆现象将在下文中专门论述。

图6-67 钢的几个脆性温区

蓝脆现象是指钢在加热到500℃左右时，出现冲击值急剧下降的现象，这时表面氧化色呈蓝色，因此称为蓝脆。在Ac₁～Ac₃温度区间，钢中为α与γ两相混合组织，冲击值较低，称为重结晶脆。在更高温度，若钢中含硫量较高时，会在晶界上产生FeS-Fe的共晶液体，使冲击值下降，称为红脆。

上述脆性都是指正在该温度时出现的脆性现象，当温度下降离开该温度区时，这种脆性不再存在。但有些脆性现象却是在某一温度加热后，直至冷却到室温仍然保留，如第一类、第二类回火脆性。此外，在大致相当蓝脆温度长期停留（几百至几千小时），冷到室温仍然存在脆性，称为热脆。热脆现象研究对在蓝脆温区使用的锅炉、压力容器及管道等很重要。

3.低温脆性问题 面心立方点阵以外的金属材料（如常用的珠光体、铁素体类型的结构钢及铸铁等），随温度下降可能发生由韧性向脆性的转变，即低温脆性或冷脆（图6-67）。冷脆现象对车辆、桥梁、舰船、低温工作的容器、管道和其他金属结构相当重要。测定表明材料低温韧脆转变行为的韧脆转变曲线以及韧脆转变温度t_K的试验，称为系列冲击试验。GB/T 229—2007中规定了系列冲击试验法，试验时将试样浸入盛有低温介质的容器中，对于-78℃以上的温度，可用不同比例的固态二氧化碳（干冰）与酒精混合作为低温介质；对于更低的温度，可用不同比例的液氮与氟里昂或酒精混合获得。低温介质的温度须比试验温度低2～3℃，以补偿试样从取出到冲断这段时间的温度回升。用低温温度计测量温度，到温后保温15min，用绝热性能好的夹钳（如竹夹子）将试样迅速夹持到试验机支座上对正摆好，释放摆锤，将试样冲断。标准规定从试样离开低温介质到冲断，这段时间不得超过5s，以防止试样温度有过多的回升。更精细一点，须做出试件离开低温介质后，随时间增加温度回升的曲线，对实际冲击试验温度进行校正。

确定韧脆转变温度的方法有下面几种。

（1）能量准则。如图6-68、图6-69所示，有以下4种表示方法：

图6-68 韧脆转化曲线(www.xing528.com)

图6-69 用能量准则确定韧脆转变温度t_K

1）用一定K_max所对应的温度为韧脆转变温度t_K，如50%，t₁。

2）用上平台与下平台之间能量的一定百分数n的相当温度表示，如与相当的温度t₂。

3）用完全塑性撕裂的韧性开裂最低温度，即与达到上平台K_max的起始温度相应的温度做t_K，如t₃。

4）用完全晶状断面脆性开裂的最高温度，即与保持下平台的K_min最高温度相对应的温度做t_K，如t₄。

至于选用哪一种能量准则，与所要求的保证不发生脆性断裂的期望值大小有关，也与机件服役过程中发生脆性断裂时，所承受的应力与材料屈服强度的比和机件中存在的缺陷的情况等有关。此外，还要与经济效果等因素综合考虑。

（2）断口特征准则。一些钢制件、大型铸锻件及焊接件，现在常根据断口上晶状断裂面积与纤维状断裂面积的比FA%与试验温度的关系来建立韧脆转变曲线，并以一定的FA%值来确定转变温度。例如常用50%（面积分数）晶状断口与50%（面积分数）纤维状断口下的相应温度作为韧脆转变温度，叫做断口形貌转变温度FATT₅₀（Fracture Apperance Transi-tion Temperature）。经验表明，用断口形貌所做的转化曲线的转化温度位置，与用断裂韧度K_HC所做的转化曲线的韧脆转化温度位置比较一致，而用能量准则所做转化曲线与K_HC转变曲线差别较大。

GB/T 12778—2008规定了冲击断口测定方法。断口形貌可用测量显微镜进行测量，测量试样断口中心结晶状断口区域的宽度和高度A×B（图6-70），然后依标准中所附的测量用表查出相应的FA%。另一种方法是卡片法，标准中附有一系列不同FA%的卡片，选用与断口上FA%相当的卡片直接得出相应的FA%值。还有一种断口特征准则，是依据试样冲断后受压一面变宽的情况来确定韧脆转变温度，叫侧膨胀值转变温度LFTT（Lateral Expansion Transition Temperature），如0.9mm。

图6-70 FATT试验中FA%确定方法

（3）经验准则。对于某种产品，依据大量使用的经验和统计资料，得出当冲击值达到某一数值时而不至于发生某种类型的脆性断裂事故。例如，第二次世界大战期间，出现脆断事故的焊接油轮的统计表明，如果船板的夏比冲击吸收能量KV大于20.5J的话，将不致发生脆断事故，因此在造船工业中广泛使用20.5J准则。但是，随造船工业的发展，更高强度级别钢板的使用，这个准则不能可靠地保证安全，我国相关船舶材料试验规范规定，焊接破冰船用12mm以上钢板，在-40℃作冲击试验时，冲击韧度a_KU不应小于29.4J/cm²。

GB/T 229—2007规定了用冲击吸收能量ETT_n、脆性断面率FATT_n和侧向膨胀值LETT三种方式表征韧脆转化温度。脆性断面率和侧膨胀值按GB/T12778—2008《金属夏比冲击断口测定方法》测定。

常用的国产钢铁材料典型处理工艺的冲击值见表6-30。

表6-30 国产钢铁材料典型处理工艺的冲击值（常温）

（续）