第三節　沖擊試驗

一、概述

沖擊試驗是用來評價材料在高速載荷狀態下的韌性或對斷裂的抵抗能力的試驗。金屬的沖擊韌性通常隨加載速度提高而減小。材料在快速加載的情況下，在很多情況下，由于塑性變形的速度跟不上應力增加的速度，因此隨著加載速度的增加，材料的性能變化的總趨勢是強度指標升高，塑性指標則有所降低，材料的脆性增加了。沖擊試樣所消耗的沖擊功不僅取決于材料的強度，而且還取決于材料在沖斷過程中所發生的變形。因此，沖擊韌性是材料強度和塑性的綜合尺度，是一個能量指標。

沖擊試驗可分為擺錘式（包括簡支梁式和懸臂梁式）、落球（落錘）式和高速拉伸沖擊試驗等。不同材料、不同用途制品可選擇不同的試驗方法。這里主要介紹擺錘式沖擊試驗。

擺錘式沖擊試驗主要測定金屬的沖擊吸收功、脆性斷面率、沖擊吸收功-溫度曲線、韌性轉變溫度。

二、夏比擺錘沖擊試驗原理及定義

1.金屬夏比擺錘沖擊試驗原理

擺錘式沖擊試驗測試原理——簡支梁沖擊和懸臂梁沖擊（圖2-12）：簡支梁沖擊試驗是用擺錘打擊簡支梁試樣的中央，試樣受到沖擊而斷裂，試樣斷裂時單位面積或單位寬度所消耗的沖擊功即為沖擊強度；懸臂梁沖擊試驗是用擺錘打擊有缺口的懸臂梁的自由端，試樣受到沖擊而斷裂，試樣斷裂時單位面積或單位寬度所消耗的沖擊功即為沖擊強度。

2.金屬夏比擺錘沖擊相關定義

沖擊吸收功：規定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功。

脆性斷面率：脆性斷口面積占試樣斷口總面積的百分比。

沖擊吸收功-溫度曲線：在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功與試驗溫度的關系曲線。

韌性轉變溫度：在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域。

三、沖擊試驗設備

常用的沖擊設備有機械式和微機控制式，如圖2-13所示。

1.設備的一般要求

所有測量儀器均應溯源至國家或國際標準。這些儀器應在合適的周期內進行校準。

2.設備的安裝及檢驗

試驗機應按GB/T 3808或JJG進行安裝及檢驗。

3.擺錘刀刃

擺錘刀刃半徑應為2mm和8mm兩種。用符號的下標數字表示，即KV2或KV8。擺錘刀刃半徑的選擇應參考相關產品標準。

對于低能量的沖擊試驗，一些材料用2mm或8mm擺錘刀刃試驗測定的結果有明顯不同，2mm擺錘刀刃的結果可能高于8mm的擺錘刀刃結果。

四、試樣要求

1.一般要求

標準尺寸沖擊試樣長度為55mm，橫截面為10mm×10mm的方形。在試樣長度中間有V形或U形的缺口。

如果材料不夠制備標準尺寸試樣，可使用寬度為7.5mm、5mm或2.5mm的小尺寸試樣。在用小尺寸試樣時，如果樣品為低能量沖擊試驗，應在支座上放置適當厚度的墊片，使試樣的打擊中心高度為5mm。

試樣表面的粗糙度Ra應優于5μm，端部除外。

對于需要熱處理的試驗材料，應在最后精加工前進行熱處理，除非已知兩者順序改變不會導致性能的差別。

2.缺口幾何形狀

缺口合適與否直接關系到檢測結果，因此對缺口的制備應仔細，以保證缺口根部處沒有影響吸收能的加工痕跡。一般加工缺口優先選用缺口拉槽機。

V形缺口應有45°夾角，其深度為2mm，底部曲率半徑為1mm。

U形缺口深度應為2mm或5mm（除非有特殊要求），底部曲率半徑為1mm。

3.試樣的制備

試樣樣坯的切取應按相關產品標準或GB/T 2975的規定執行，試樣制備過程應使由于過熱或冷加工而改變材料沖擊性能的影響減至最小。

4.試樣的標記

試樣的標記應遠離缺口，不應標在與支座、砧座或擺錘刀刃接觸面上。試樣標記應避免塑性變形和表面不連續性對沖擊吸收能量的影響。

五、試驗程序

①試樣應緊貼試驗機砧座，錘刃沿缺口對稱面打擊試樣缺口的背面，試樣缺口對稱面偏離兩砧座之間的中心應不大于0.5mm。

試驗前應檢查砧座跨距，砧座跨距應保證在之內。

②測量試樣寬度和厚度，精確到0.02mm。

③沖擊能使試樣破壞時，能量消耗應在10％～80％之間，在幾種擺錘進行選擇時，應選擇大能量。

不同沖擊能量的擺錘，測得結果不能比較。

國家標準中規定沖擊速度為2.9m/s和3.8m/s。

④試驗機空擊試驗調零。

⑤試樣橫放在試驗機的支點上，并釋放擺錘，使其沖擊試樣的寬面。

⑥錘頭應與試樣的整個寬度相接觸，接觸線應與試樣縱軸垂直，誤差不大于1.8rad。

⑦擺錘沖擊后回擺時，使擺錘停止擺動，并立即記下刻度盤上的指示值或者微機顯示數值。數值應至少估到0.5J或者0.5個標度單位（取兩者之間的較小值）。試驗結果應至少保留兩位有效數字。

⑧試樣被擊斷后，觀察其斷面，如因有缺陷而被擊斷的試樣應作廢。

⑨每個試樣只能受一次沖擊，如試樣未斷時，可更換試樣再用較大能量的擺錘重新進行試驗。