任务3　认识力学性能指标——冲击韧性

【任务描述】

对所采购的优质碳素结构钢20钢取样并进行冲击试验，评定其冲击韧性指标是否满足要求？

【知识链接】

知识点一　冲击韧性

许多机械零件在服役时往往受冲击载荷的作用，如飞机起落架、冲床用的冲头、锻锤的锤干、风动工具等。

①冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功A_K表示。

冲击载荷与静载荷的主要区别在于冲击载荷的加载速率大，即载荷以很快的速度作用于零件。

载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，零件易发生突然断裂。对于在冲击载荷作用下服役的零件，必须用冲击载荷下的力学性能——冲击韧性来衡量。

②冲击韧性是强度和塑性的综合表现。

知识点二　冲击韧性试验方法

工程上常用的冲击韧性试验方法为缺口试样冲击弯曲试验，它是在摆锤式冲击试验机上进行的。缺口试样冲击弯曲试验原理如图1－12所示。

图1－12　摆锤式冲击试验原理示意图

图1－13　夏比U型缺口试样

按GB/T229—1994《金属夏比（U型或V型缺口）冲击试验法》规定，将被测材料制成标准冲击试样如图1－13所示。试验时，将试样水平放在试验机支座上，注意缺口位于冲击相背方向（如图1－12所示）。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度h₁，使其获得一定位能mgh₁，释放摆锤并一次冲断试样，然后摆锤继续升高至h₂，此时摆锤的剩余能量为mgh₂，则摆锤冲断试样失去的位能为mgh₁－mgh₂，此即为试样变形和断裂所消耗的功，以A_K表示，单位为J。

A_K=mgh₁－mgh₂=mg（h₁－h₂）

A_K值不需计算，可由冲击试验机刻度盘上直接读出。冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度，用符号a_K表示，单位为J/cm²。

式中：A——试样缺口底部横截面积，cm²。

知识点三　影响冲击吸收功的因素(www.daowen.com)

冲击吸收功越大，材料的韧性越好。影响冲击吸收功的因素有：

1.温度

材料的冲击吸收功与温度有关。由图1－14可知，A_K值随温度降低而减少。当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为低冲击吸收功，即“低阶能”。当高于某一温度，金属材料吸收的冲击能量也基本不随温度而变化，出现一个上平台，该能量称为高冲击吸收功，即为“高阶能”。以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为韧脆转变温度。它表示冲击吸收功急剧转变的温度。在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态变成脆性状态。例如工程上常用的低强度结构钢（铁素体－珠光体钢）的低温脆性，当低强度结构钢在低于韧脆转变温度时，冲击吸收功A_K明显下降，断口特征由纤维状变为结晶状，即材料由韧性状态变成脆性状态，出现低温脆性现象。韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。

图1－14　温度对冲击吸收功的影响

2.材料内部缺陷、显微组织

冲击吸收功对材料内部缺陷、显微组织的变化很敏感，因此通过测量冲击吸收功和对断口试样进行断口分析，可揭示原材料中的夹渣、气泡、偏析以及夹杂物超标等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。

3.试样形状、尺寸等

同样材料的试样，缺口（裂纹）越深越尖锐，表面粗糙度越大，冲击吸收功就越小，即材料表现出的脆性越高。冲击吸收功一般作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。

【任务实施】

①对采购的优质碳素结构钢20钢取样并按图1－13制作夏比U型缺口试样。

②检查摆锤式冲击机是否工作正常。

③将试样水平放在摆锤式冲击机的支座上（注意试样缺口方向）。

④释放摆锤，一次冲断试样。

⑤在表盘上读取冲击吸收功值为72.6J。

【任务结论】

这批优质碳素结构钢20钢的冲击吸收功指标满足GB/T699—1999《优质碳素结构钢》要求。

由于所测定的σ_b/Mpa、σ_s/Mpa、δ₅/％、ψ/％ A_ku/J和硬度各指标均满足GB/T699—1999《优质碳素结构钢》要求，所以，这批优质碳素结构钢20钢为合格品，准予办理入库。