1 金屬系列沖擊實(shí)驗(yàn)報(bào)告 專業(yè) 材料科學(xué)與工程 學(xué)生姓名 郭會(huì)明 指導(dǎo)教師 強(qiáng)文江 葉榮昌 完成時(shí)間 2020 年 4 月 3 日 2 一 一 試驗(yàn)內(nèi)容 目的與要求試驗(yàn)內(nèi)容 目的與要求 1 了解擺錘沖擊試驗(yàn)的基本方法 2 通過測(cè)定低碳鋼 工業(yè)純鐵和 T8 鋼在不同溫度下的沖擊吸收功 觀察比較金屬 韌脆轉(zhuǎn)變特性 二 二 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 韌性是材料承受載荷作用指導(dǎo)發(fā)生斷裂的過程中吸收能量的特性 沖擊試驗(yàn)是在高 速載荷作用下材料韌性的通用試驗(yàn)方法 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為沖擊吸收功 采用系列沖擊試 驗(yàn) 即測(cè)定材料在不同溫度下的沖擊吸收功 可以確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度 國標(biāo)規(guī)定用規(guī)定高度的擺錘對(duì)處于簡支梁狀態(tài)的缺口進(jìn)行一次性打擊 測(cè)量試樣折 斷時(shí)的沖擊吸收功 一次擺錘沖擊試驗(yàn)是目前廣泛使用的一種沖擊試驗(yàn)方法 它是將規(guī)定形狀尺寸的試 樣放置在固定支架上 然后把具有一定位能的擺錘釋放 使試樣承受沖擊彎曲載荷以至 斷裂 擺錘沖擊試驗(yàn)裝置的工作原理是 沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分 被試樣在受沖擊后發(fā)生斷裂的過程中所吸收 擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達(dá)到的最 大高度之間的差值可以直接轉(zhuǎn)換成試樣在沖斷過程中所消耗的能量 沖擊斷裂后試樣吸收的功成為沖擊功 沖擊功除以試樣缺口處的橫截面積所得的商 稱為沖擊韌性 以 ak 表示 反映了在指定溫度下 材料在缺口和沖擊加載速度的載荷共 同作用下的脆化趨勢(shì)和程度 因?yàn)樵谶@種情況下 材料的脆性主要是由缺口造成的 由 于沖擊載荷作用時(shí)間極短 缺口應(yīng)力集中不可能很快松弛 塑形變形僅局限在缺口附近 極局部的區(qū)域 塑形變形不能充分進(jìn)行 為增大材料脆斷傾向提供了條件 正因?yàn)樗?映了材料的脆斷趨勢(shì) 因此缺口沖擊試驗(yàn)的最大意義在于 確定材料韌脆轉(zhuǎn)化的一定溫 度范圍 三 材料 試樣與試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)程序三 材料 試樣與試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)程序 1 1 試驗(yàn)材料與試樣 試驗(yàn)材料與試樣 試驗(yàn)材料 低碳鋼 工業(yè)純鐵和 T8 鋼 低碳鋼又稱軟鋼 含碳量從 0 10 至 0 30 低碳鋼易于接受各種加工如鍛造 焊接 和切削 常用於制造鏈條 鉚釘 螺栓 軸等 碳含量低于 0 25 的碳素鋼 因其 強(qiáng)度低 硬度低而軟 故又稱軟鋼 它包括大部分普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和一部分優(yōu)質(zhì)碳素結(jié) 3 構(gòu)鋼 大多不經(jīng)熱處理用于工程結(jié)構(gòu)件 有的經(jīng)滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機(jī)械 零件 本試驗(yàn)選擇的低碳鋼為 Q235 鋼 為普通低碳鋼 屈服強(qiáng)度為 235MPa 由于含碳 適中 綜合性能較好 強(qiáng)度 塑性和焊接等性能得到較好配合 用途最廣泛 工業(yè)純鐵是鋼的一種 其化學(xué)成分主要是鐵 含量在 99 50 99 90 含碳量在 0 04 以下 其他元素愈少愈好 因?yàn)樗鼘?shí)際上還不是真正的純鐵 所以稱這一種接近于 純鐵的鋼為工業(yè)純鐵 一般工業(yè)純鐵質(zhì)地特別軟 韌性特別大 電磁性能很好 常見的 有兩種規(guī)格 一種是是作為深沖材料的 可以沖壓成極復(fù)雜的形狀 另一種是作為電磁 材料的 有高的感磁性的低的抗磁性 T8 屬于碳素工具鋼 淬硬型塑料模具用鋼 淬火回火后有較高硬度和耐磨性 但熱 硬性低 淬透性差 易變形 塑性及強(qiáng)度較低 用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種 工具 如形狀簡單的模子和沖頭 切削金屬的刀具 打眼工具 木工用的銑刀 埋頭鉆 斧 鑿 縱向手用鋸 以及鉗工裝配工具 鉚釘沖模等次要工具 橫梁式夏比缺口沖擊試驗(yàn) 試樣上有 V 或 U 形缺口 也叫做夏比缺口 是截面為 10 10mm 的方棒 一面中間有一 45 度的 V 形缺口 深 2mm 根部直徑 2mm 試驗(yàn) 中還要根據(jù)需要加熱或者保溫到規(guī)定的溫度 本試驗(yàn)中采用的為 U 形缺口 缺口深度為 2mm 根部直徑為 2mm 2 2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容與相關(guān)的測(cè)量工具 儀器 設(shè)備 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容與相關(guān)的測(cè)量工具 儀器 設(shè)備 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī) 型號(hào) JB 300B 顯示方式 度盤顯示 沖擊能量 150 300J 分度值 1J 2J 誤差 0 5J 試樣尺寸 10 7 5 5 2 5 mm 10mm 55mm 工具顯微鏡工具顯微鏡 型號(hào) 15JE 測(cè)量范圍 50 x50mm 測(cè)量精度 0 01mm 4 測(cè)量誤差 0 01mm 恒溫槽恒溫槽 型號(hào) 3 5P 瓶膽保溫桶 溫度計(jì)溫度計(jì) 溫度計(jì)最小分度 1 測(cè)量誤差 0 5 3 3 試驗(yàn)步驟或程序 試驗(yàn)步驟或程序 3 13 1 材料與試樣 材料與試樣 試驗(yàn)材料為低碳鋼 工業(yè)純鐵和 T8 鋼 橫梁式夏比缺口沖擊試驗(yàn) 試樣上有 V 或 U 形缺口 也叫做夏比缺口 是截面為 10 10mm 的方棒 一面中間有一 45 度的 V 形 缺口 深 2mm 根部直徑 0 25mm 試驗(yàn)中還要根據(jù)需要加熱或者保溫到規(guī)定的溫度 3 23 2 試驗(yàn)準(zhǔn)備 試驗(yàn)準(zhǔn)備 將試樣放在支座上 缺口背對(duì)擺錘放置 將一定沖擊功的擺錘從高處放下 然后沖 擊支座上的試樣 將試樣沖斷或者沖彎 在沖擊試驗(yàn)機(jī)上會(huì)有沖擊功的數(shù)值顯示 將此 數(shù)值記錄下來 沖擊斷裂后試樣吸收的功成為沖擊功 沖擊功除以試樣缺口處的橫截面 積所得的商稱為沖擊韌性 以 ak 表示 3 33 3 調(diào)節(jié)溫度 調(diào)節(jié)溫度 在領(lǐng)取試樣后 根據(jù)加熱或者冷卻溫度的不同 將班級(jí)分為七組 每組的溫度分別 為 78 18 3 20 30 40 60 每個(gè)小組內(nèi)有低碳鋼 工業(yè)純鐵和 T8 鋼的試樣 在 40 的小組中 將試樣編號(hào) 放到相應(yīng)的恒溫槽中 試樣的缺口要朝下 放置 同時(shí)將溫度計(jì)和鑷子放到鍋中的酒精中浸泡 然后將液氮倒入恒溫槽中 用蓋子 蓋好 進(jìn)行降溫 當(dāng)溫度降到 40 時(shí) 開始計(jì)時(shí) 保溫 3 分鐘 然后降到 40 5 時(shí)將溫 度計(jì)取出 等待沖擊試驗(yàn)進(jìn)行 3 43 4 試驗(yàn)測(cè)試 試驗(yàn)測(cè)試 將冷卻到規(guī)定溫度的試樣放到?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的支座上 然后將試驗(yàn)機(jī)的指針清零 然 后釋放擺錘 將試樣沖斷或者沖彎后 讀取沖擊試驗(yàn)機(jī)上的數(shù)值 即為此溫度下 相應(yīng) 樣品的沖擊功 為 ak 5 3 53 5 斷口形貌與脆斷區(qū)面積測(cè)量 斷口形貌與脆斷區(qū)面積測(cè)量 對(duì)于 20 Q235 鋼 沖擊后的脆性斷裂區(qū)并不是 100 也不是 0 因此要對(duì)脆性 區(qū)的面積要進(jìn)行測(cè)量 測(cè)量的工具為工具顯微鏡 將樣品放到工具顯微鏡的載物臺(tái)上 然后在目鏡中觀察試樣 將目鏡中的中心十字線對(duì)準(zhǔn)脆性區(qū)的一個(gè)頂角 然后記錄工具 顯微鏡上的橫縱坐標(biāo)的數(shù)值 依次測(cè)量脆性區(qū)的其他三個(gè)頂角 記錄相應(yīng)的坐標(biāo)值 將 四個(gè)頂角的坐標(biāo)值相減 可以得到脆性區(qū)的上下底和高 脆性區(qū)的形狀一般為梯形 如 果脆性區(qū)為 100 則形狀與原來的正方幾乎相同 四 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論四 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論 1 1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析討論 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析討論 1 11 1 斷口形貌斷口形貌 如圖 1 所示的為 Q235 低碳鋼沖斷后的斷口形貌 通過圖片可以清晰地看到 在沖斷 的表面有一大片的脆性區(qū) 脆性區(qū)有很多的光亮的小表面 這是斷裂后表面的小晶面 在脆性區(qū)的底部有一窄條的韌性區(qū) 韌性區(qū)表面不光亮 這是因?yàn)閿嗔研纬杉羟写交蛘?韌窩 呈現(xiàn)纖維狀 這些對(duì)光的反射不是很強(qiáng)烈 因此不光亮 圖 1 沖斷后的 Q235 低碳鋼斷口形貌 通過工具顯微鏡的測(cè)量 可以得到脆性區(qū)的尺寸 8 721cm 6 523cm 10 404cm 6 由此可以得到脆性區(qū)的百分比為 97 77 108 2 1523 6 404 10721 8 1 21 2 各個(gè)溫度下的沖擊功和脆性區(qū)百分比 各個(gè)溫度下的沖擊功和脆性區(qū)百分比 表 1 第一小組沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總 系列沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù) 溫度 7818 3 20 30 40 60 Ak J278145124 594 572226 斷口解理面積 029447082100100Q235 完成人郝冠清侯爽周子瑜張一清趙洋洋楊海洋于延晨 Ak J3125 5 5 3 5 斷口解理面積 100100 100 100T8 完成人王雪姣柏鑒玲 蔡崇濤 陳明 Ak J 280 241 5 273 242 66 斷口解理面積 00 00 100100 純鐵 完成人 杜偉偉關(guān)琳 鐘旭晁劉峰 李同李東 表 2 第二小組沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總 系列沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù) 溫度 7818 3 20 30 40 60 Ak J 300148130 11094 525 195 674 斷口解理面積 026 10022 78100Q235 完成人劉茂森馬月媛陳凡 劉豐王凱楊喬肖將楚 郭會(huì)明王玉安 Ak J34 156 5 斷口解理面積 100 100100 100T8 完成人馬翔 劉金輝錢博文 李倩 Ak J 300 300 2237 5 86 斷口解理面積 00 0100 100100 純鐵 完成人 文翰剡付超 朱婷張露茜 李鑫何慶 由此可以得到韌脆轉(zhuǎn)變曲線 Q235 低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線如下圖所示 7 圖 2 Q235 低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線 溫度 百分比曲線 圖 3 Q235 低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線 溫度 沖擊功曲線 T8 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線如下圖所示 8 圖 4 T8 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線 溫度 沖擊功曲線 圖 5 T8 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線 溫度 百分比曲線 工業(yè)純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變曲線如下圖所示 9 圖 6 工業(yè)純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變曲線 溫度 百分比曲線 圖 7 工業(yè)純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變曲線 溫度 沖擊功曲線 通過以上曲線可以得到 Q235 低碳鋼 T8 鋼 工業(yè)純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為脆性區(qū)為 50 時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度 因此可以得到如下 表 3 低碳鋼 T8 鋼 工業(yè)純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 Q235 T8 鋼工業(yè)純鐵 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 DBTT 15 78 35 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 FATT 8 78 40 10 2 2 試驗(yàn)結(jié)果的分析討論試驗(yàn)結(jié)果的分析討論 通過比較三種材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可以知道 1 Q235 低碳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低 在常溫下有很好的韌性 但是在特殊環(huán)境下 例如在東北地區(qū) 這種材料的使用要考慮到冬季低溫下的脆性轉(zhuǎn)變 2 T8 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高 說明在常溫下 T8 鋼的塑形較差 容易發(fā)生脆性斷裂 在使用過程中應(yīng)該考慮 不能運(yùn)用在要求較高韌性的地方 3 工業(yè)純鐵的韌脆轉(zhuǎn)變溫度最低 說明工業(yè)純鐵在常溫下有很好的韌性 材料的韌性和脆性是相對(duì)的 不同材料的韌性和脆性不同 同一種材料在不同的環(huán) 境中也呈現(xiàn)出不同的性質(zhì) 因此非常有必要對(duì)材料的韌脆性和韌脆轉(zhuǎn)變進(jìn)行測(cè)定 同時(shí) 影響材料韌脆轉(zhuǎn)變的因素也很多 1 力學(xué)因素的影響 在受力過程中 當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) s f 時(shí) 材料在任何一種加載方式時(shí) 破壞前產(chǎn)生明顯塑形變形狀態(tài) 稱為軟狀態(tài) 若有某種原因使應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 下降 當(dāng) s f 時(shí) 說明應(yīng)力狀態(tài)從軟變硬 意味著該材料在任意一種加載方式下 破壞 前將不產(chǎn)生塑形變形 變成脆性斷裂 2 溫度的影響 一般情況下 降低溫度總是增加材料的致脆傾向 在外載作用下 溫度越低 塑形 變形越困難 導(dǎo)致脆性斷裂 隨著溫度的升高 材料發(fā)生由脆性斷裂向韌性斷裂的變化 本實(shí)驗(yàn)中采用的工業(yè)純鐵的試樣為 bcc 結(jié)構(gòu) 隨著溫度的降低 s f 逐漸增大 使應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) s f 導(dǎo)致彈性變性后直接的脆性斷裂 而在較高溫度下 由 于 s f 降低 使得 大于它 導(dǎo)致受載后發(fā)生經(jīng)彈性變形到塑形變形最后以塑形切 斷結(jié)束 3 加載速度的影響 提高加載速度與降低溫度的作用類似 是導(dǎo)致材料脆化的因素之一 在高速加載的條件 下 由于比較高的應(yīng)力水平 在使多個(gè)位錯(cuò)源同時(shí)開動(dòng)時(shí)位錯(cuò)密度大幅度提高 致使金 屬材料中塑形變形難以充分進(jìn)行 導(dǎo)致塑形變形的不均勻 限制了塑形變形的發(fā)展 4 材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì) Bcc 結(jié)構(gòu)金屬如超高強(qiáng)鋼等的 bcc 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化材料 由于多種強(qiáng)化手段大幅度提高了材料的 11 切變屈服強(qiáng)度 s 而對(duì) f 的影響不明顯 因此往往顯示脆性 四 試驗(yàn)結(jié)論四 試驗(yàn)結(jié)論 通過本次的沖擊實(shí)驗(yàn)可以得到以下幾個(gè)結(jié)論 1 擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)可以測(cè)