衝擊韌性

衝擊韌性是指材料在衝擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映材料內部的細微缺陷和抗衝擊性能。衝擊韌度指標的實際意義在於揭示材料的變脆傾向，是反映金屬材料對外來衝擊負荷的抵抗能力，一般由衝擊韌性值（ak）和衝擊功（Ak）表示，其單位分別為J/cm²和J（焦耳）。影響鋼材衝擊韌性的因素有材料的化學成分、熱處理狀態、冶煉方法、內在缺陷、加工工藝及環境溫度。

基本介紹

• 中文名：衝擊韌性
• 外文名：Impact toughness
• 單位：J/cm2
• 物理意義：反映材料的變脆傾向
• 代表符號：Ak
• 確定方法：實驗

分類

衝擊韌性或衝擊功試驗（簡稱"衝擊試驗"），因試驗溫度不同而分為常溫、低溫和高溫衝擊試驗三種；若按試樣缺口形狀又可分為"V"形缺口和"U"形缺口衝擊試驗兩種。

原理分析

衝擊韌性（衝擊值）ak

工程上常用一次擺錘衝擊彎曲試驗來測定材料抵抗衝擊載荷的能力，即測定衝擊載荷試樣被折斷而消耗的衝擊功Ak，單位為焦耳（J）。

而用試樣缺口處的截面積F去除Ak，可得到材料的衝擊韌度（衝擊值）指標，即ak=Ak/F，其單位為kJ/m²或J/cm²。

因此，衝擊韌度ak表示材料在衝擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。ak值的大小表示材料的韌性好壞。

一般把ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材料。

ak值取決於材料及其狀態，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關係。ak值對材料的內部結構缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內部裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會使ak值明顯降低；同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應力集中程度越大，越容易變形和斷裂，衝擊功越小，材料表現出來的脆性越高。因此不同類型和尺寸的試樣，其ak或Ak值不能直接比較。

材料的ak值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度範圍內，ak值發生急劇降低，這種現象稱為冷脆，此溫度範圍稱為“韌脆轉變溫度（Tk）”。

詳細解釋

衝擊韌性（ ak ）：材料抵抗衝擊載荷的能力，單位為焦耳/ 平方厘米（ J/cm² ）

代號：аk

單位：J/cm²

簡介：將衝擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積所得的商。

註：用夏氏U形缺口試樣求得的衝擊功和衝擊值，代號分別為AkU和akU；用夏氏V形缺口試樣求得的衝擊功和衝擊值，代號分別為AKV和аkV。

用一定尺寸和形狀的金屬試樣，在規定類型的衝擊試驗上受衝擊負荷折斷時，試樣刻槽處單位橫截面上所消耗的衝擊功，稱為衝擊 韌性以ak表示。

常用的10×10×55mm，帶2 mm深的V形缺口夏氏衝擊試樣，標準上直接採用衝擊功（J焦耳值）Ak，而不是採用αK值。因為單位 面積上的衝擊功並無實際意義。

衝擊功對於檢查金屬材料在不同溫度下的脆性轉化最為敏感，而實際服役條件下的災難性破斷事故，往往與材料的衝擊功及服役溫 度有關。 因此在有關標準中常常規定某一溫度時的衝擊功值為多少 、還規定FATT（斷口面積轉化溫度）要低於某一溫度的技術條件。所謂FATT，即一組在不同溫度下的衝擊試樣沖斷後，對衝擊斷口進行評定，當脆性斷裂占總面積的50%時所對應的溫度。

由於鋼板厚度的影響，對厚度≤10mm的鋼板，可取得3/4小尺寸衝擊試樣（7.5×10×55mm）或1/2小尺寸衝擊試樣（5×10×55mm）。但是一定要注意，同規格及同一溫度下的衝擊功值才可相互比較。只有在標準規定的條件下，才可按標準的換算方法，折算 成標準衝擊試樣的衝擊功，再相互比較。

實驗

衝擊韌度是通過衝擊實驗來測定的。這種實驗在一次衝擊載荷作用下顯示試件缺口處的力學特性（韌性或脆性）。雖然試驗中測定的衝擊吸收功或衝擊韌度，不能直接用於工程計算，但它可以作為判斷材料脆化趨勢的一個定性指標，還可作為檢驗材質熱處理工藝的一個重要手段，這是因為它對材料的品質、巨觀缺陷、顯微組織十分敏感，而這點恰是靜載實驗所無法揭示的。

類型及名稱

測定衝擊韌度的試驗方法有多種。國際上大多數國家所使用的常規試驗為簡支梁式的衝擊彎曲試驗。在室溫下進行的實驗一般採用GB/T229-1994標準《金屬夏比衝擊試驗方法》，另外還有“低溫夏比衝擊實驗”，“高溫夏比衝擊實驗”。由於衝擊實驗受到多種內在和外界因素的影響。要想正確反映材料的衝擊特性，必須使用衝擊實驗方法和設備標準化、規範化，為此我國制定了金屬材料衝擊實驗的一系列國家標準（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。

實驗設備

衝擊試驗機、遊標卡尺

實驗原理

衝擊試驗利用的是能量守恆原理，即衝擊試樣消耗的能量是擺錘試驗前後的勢能差。試驗時，把試樣放在圖2-28的B處，將擺錘舉至高度為H的A處自由落下，沖斷試樣即可。擺錘在A處所具有的勢能為：

擺錘式衝擊試驗原理圖

E=GH=GL（1-cosα）

沖斷試樣後，擺錘在C處所具有的勢能為：

E1=Gh=GL（1-cosβ）。

勢能之差E-E1，即為沖斷試樣所消耗的衝擊功AK:AK=E-E1=GL（cosβ-cosα）

式中，G為擺錘重力（N）；L為擺長（擺軸到擺錘重心的距離）（mm）；α為沖斷試樣前擺錘揚起的最大角度；β為沖斷試樣後擺錘揚起的最大角度。

實驗步驟

1.測量試樣的幾何尺寸及缺口處的橫截面尺寸。

2.根據估計材料衝擊韌性來選擇試驗機的擺錘和錶盤。

3.安裝試樣。

4.進行試驗。將擺錘舉起到高度為H處並鎖住，然後釋放擺錘，沖斷試樣後，待擺錘揚起到最大高度，再回落時，立即剎車，使擺錘停住。

5.記錄錶盤上所示的衝擊功AKU值。取下試樣，觀察斷口。試驗完畢，將試驗機復原。

6.衝擊試驗要特別注意人身的安全。

實驗結果處理

計算衝擊韌性值。

影響因素

1、材料成份：含碳量對鋼的韌-脆轉化曲線有影響。隨著鋼中含碳量的增加，冷脆轉化溫度幾乎呈線性地上升，且最大衝擊值也急劇降低。鋼的含碳量每增加0.1%，冷脆轉化溫度升高約為13.9度。鋼中含碳量的影響，主要歸結為珠光體增加了鋼的脆性。

2、晶粒大小：細化晶粒一直是控制材料韌性避免脆斷的主要手段。理論與實驗均得出冷脆轉化溫度與晶粒大小有定量關係。

3、顯微組織：在給定強度下，鋼的冷脆轉化溫度決定於轉變產物。就鋼中各種組織來說，珠光體有最高的脆化溫度，按照脆化溫度由高到低的依次順序為：珠光體，上貝氏體，鐵素體下貝氏體和回火馬氏體。