冲击韧性

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，反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向，是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。影响钢材冲击韧性的因素有材料的化学成分、热处理状态、冶炼方法、内在缺陷、加工工艺及环境温度。
中文名 冲击韧性 外文名 Impact toughness 单    位 J/cm2 物理意义 反映材料的变脆倾向 代表符号 Ak 确定方法 实验
目录
1 简介
2 分析介绍
3 详细说明
4 冲击韧性实验
▪ 冲击实验的类型及名称
▪ 实验设备
▪ 实验原理
▪ 实验步骤
▪ 实验结果处理
5 影响材料脆性断裂的冶金因素
简介
冲击韧性或冲击功试验（简称"冲击试验"），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。[1]
分析介绍
冲击韧性（冲击值）ak
工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。
因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。ak值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。
ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。
材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（Tk）”。[2]
详细说明
冲击韧性（ ak ）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/ 平方厘米（ J/cm2 ）
代号：аk
单位：J/cm2
简介：将冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积所得的商。
注：用夏氏U形缺口试样求得的冲击功和冲击值，代号分别为AkU和akU；用夏氏V形缺口试样求得的冲击功和冲击值，代号分别为AKV和аkV。
用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功，称为冲击 韧性以ak表示。
常用的10×10×55mm，带2 mm深的V形缺口夏氏冲击试样，标准上直接采用冲击功（J焦耳值）Ak，而不是采用αK值。因为单位 面积上的冲击功并无实际意义。
冲击功对于检查金属材料在不同温度下的脆性转化最为敏感，而实际服役条件下的灾难性破断事故，往往与材料的冲击功及服役温 度有关。 因此在有关标准中常常规定某一温度时的冲击功值为多少 、还规定FATT（断口面积转化温度）要低于某一温度的技术条件。所谓FATT，即一组在不同温度下的冲击试样冲断后，对冲击断口进行评定，当脆性断裂占总面积的50%时所对应的温度。
由于钢板厚度的影响，对厚度≤10mm的钢板，可取得3/4小尺寸冲击试样（7.5×10×55mm）或1/2小尺寸冲击试样（5×10×55mm）。但是一定要注意，同规格及同一温度下的冲击功值才可相互比较。只有在标准规定的条件下，才可按标准的换算方法，折算 成标准冲击试样的冲击功，再相互比较。[2]
冲击韧性实验
冲击韧度是通过冲击实验来测定的。这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性（韧性或脆性）。虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度，不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标，还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段，这是因为它对材料的品质、宏观缺陷、显微组织十分敏感，而这点恰是静载实验所无法揭示的。
冲击实验的类型及名称
测定冲击韧度的试验方法有多种。国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。在室温下进行的实验一般采用GB/T229-1994标准《金属夏比冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“高温夏比冲击实验”。由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。要想正确反映材料的冲击特性，必须使用冲击实验方法和设备标准化、规范化，为此我国制定了金属材料冲击实验的一系列国家标准（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。
实验设备
冲击试验机、游标卡尺
实验原理
冲击试验利用的是能量守恒原理，即冲击试样消耗的能量是摆锤试验前后的势能差。试验时，把试样放在图2-28的B处，将摆锤举至高度为H的A处自由落下，冲断试样即可。
摆锤式冲击试验原理图
摆锤式冲击试验原理图
摆锤在A处所具有的势能为：
E=GH=GL（1-cosα）
冲断试样后，摆锤在C处所具有的势能为：
E1=Gh=GL（1-cosβ）。
势能之差E-E1，即为冲断试样所消耗的冲击功AK:AK=E-E1=GL（cosβ-cosα）
式中，G为摆锤重力（N）；L为摆长（摆轴到摆锤重心的距离）（mm）；α为冲断试样前摆锤扬起的最大角度；β为冲断试样后摆锤扬起的最大角度。[3]
实验步骤
1.测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。
2.根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。
3.安装试样。
4.进行试验。将摆锤举起到高度为H处并锁住，然后释放摆锤，冲断试样后，待摆锤扬起到最大高度，再回落时，立即刹车，使摆锤停住。
5.记录表盘上所示的冲击功AKU值。取下试样，观察断口。试验完毕，将试验机复原。
6.冲击试验要特别注意人身的安全。
实验结果处理
计算冲击韧性值。[3]
影响材料脆性断裂的冶金因素
1、材料成份：含碳量对钢的韧-脆转化曲线有影响。随着钢中含碳量的增加，冷脆转化温度几乎呈线性地上升，且最大冲击值也急剧降低。钢的含碳量每增加0.1%，冷脆转化温度升高约为13.9度。钢中含碳量的影响，主要归结为珠光体增加了钢的脆性。
2、晶粒大小：细化晶粒一直是控制材料韧性避免脆断的主要手段。理论与实验均得出冷脆转化温度与晶粒大小有定量关系。
3、显微组织：在给定强度下，钢的冷脆转化温度决定于转变产物。就钢中各种组织来说，珠光体有最高的脆化温度，按照脆化温度由高到低的依次顺序为：珠光体，上贝氏体，铁素体下贝氏体和回火马氏体。[1]
热工自动化、电厂化学与金属
参考资料
1.  周登攀，唐红春，王海叶主编．金属材料与热处理．武汉：华中科技大学出版社 ，2016.06 ：14~16
2.  齐宝森．机械工程材料．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010：12~15
3.  蒋清亮主编．工程材料与热处理．北京：北京邮电大学出版社 ，2011.08 ：10~13