实验二 金属材料的冲击实验
一、实验目的
1.了解冲击韧性的含义。
2.掌握金属材料的冲击实验方法。
3.了解摆锤式冲击实验机的构造原理和操作方法。
二、实验原理
通过金属材料的静载荷实验（拉力、强度、弯曲压力、持久、蠕变等），可以得到许多有重要意义的力学性能指标，然而在工程结构中常见的机器设备却多数是在动力载荷下工作的，如凿岩机、起重机、锻锤、轨钢机等，冲击载荷是指作用力在极短时间内有很大变化幅度的载荷。在实际应用中，受冲击载荷作用的构件，特别是用高强度低塑性材料制造的零件，往往会发生无预兆的突然断裂而造成重大事故，因此研究构件在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的现实意义。实践证明，冲击实验对材料的缺陷很敏感，如金属中的晶粒粗细、回火脆性、过热、过烧、内部裂纹、白点、夹杂、纤维组织的各向异性等都会在冲击实验中暴露出来，因此它也是评定原材料的冶金质量和热加工后的半成品质量的有效方法。另外，应力集中和实验温度对冲击韧性的影响也较大，该实验也被用于确定材料的冷脆倾向及冷脆转变温度。由于冲击试样加工简便，实验时间短，同时容易辨认出材料及金属热处理工艺选择是否合理等，所以，冲击实验在生产实践中得到了广泛的采用。
冲击实验是一种动态力学试验，其方法有一次摆锤冲击实验、落锤实验和爆破实验等，常用的是摆锤冲击实验，它是将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机的固定支座上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击弯曲负荷的作用下弯曲断裂。
冲击实验一般分为单冲击与反复冲击两大类。单冲击一次将材料冲断，由材料断裂时所吸收的能量来比较其韧性的大小。反复冲击则是将一定重量的锤从一定高度落下而反复冲击试样，以破断时的冲击次数来比较材料的脆韧性。一般金属材料的冲击实验采用单冲击，反复冲击适用于特种材料，其方法类似于疲劳实验。
1.冲击韧性的定义
用冲断试样所消耗的功AK，除以试样缺口处的横截面积A0所得的商称为冲击韧性（或冲击值），用αK表示：
（2-1）
式中，αK的单位为J/mm2。αK的值越大，表明材料的抗冲击性能越好，它与材料的内部缺陷、晶粒大小、温度变化、试样的尺寸、缺口形状和支承方式等因素有关。
2.冲击试验机的原理
图2-1所示为冲击实验机原理图，钢制的摆锤悬挂在轴上，实验时把摆锤放在如图2-1所示的α角位置，于是摆锤具有一定的位能。
图2-1 冲击实验机的原理图
试验时，令摆锤下落，冲断试件。试件折断所消耗的能量等于摆锤原来的位能（α角处）与其冲断试件后在扬起位置（β角处）时的位能之差。如不计摩擦损失及空气阻力等因素，那么摆锤对试件所做的功W可按下式计算
（2-2）
（2-3）
式中，L为摆杆长度，H为摆锤的高度。
将式（2-3）代入式（2-2）得
（2-4）
式中，α为冲击前摆锤扬角；β为冲断试件后摆锤升起角。
由于摆锤重量、摆杆长度和冲击前摆锤扬角α均为常数，因而只要知道冲断试件后摆锤升起角β，即可根据上式算出消耗于冲断试件的功。本试验机已经预先根据上述公式将相当于各升起角β的功的数值算出并直接输入到仪器中，因此冲击后可以直接读出试件所吸收的功。
三、实验设备和材料
1.实验设备：ZBC-300B液晶全自动金属摆锤冲击试验机。
2.实验材料：铸铁。我国采用梅氏试样为标准试样（图2-2），梅氏试样有加工方法简单的特点，但因缺口处半径过大，可造成脆性转化温度降低，故国外都广泛采用夏比（Charpy）V型缺口试样，这不但能使脆性转化温度升高，而且作为向断裂力学方法的过渡也具有重要意义。
图2-2 标准试样尺寸（单位：mm）
四、实验内容与步骤
（一）操作步骤
1.开机，同时打开打印机电源开关，按下“联机”键。
2.摆锤自由下垂，无任何动作执行的前提下，按“清零”键，之后“起摆”进行空摆冲击，此时的吸收功为空摆的能量损失。
★注意：必须在摆锤处于垂直不动状态下执行此动作，尤其不能在其它动作执行中按下“清零”键。此点尤其重要。
3.进行参数设置。
4.按“取摆”锤（摆锤应逆时针转动）.
5.安装试样在支座上。
6.退销：按“退销”键，保险销退销。
7.冲击试样：按“冲击”键，摆锤靠自重绕轴开始进行冲击。
★注意：必须先执行“退销”动作，冲击指令才会生效。
8.放摆：按“放摆”键，保险销自动退销。当摆锤转至接近垂直位置时，便自动停摆。
9.打印数据。
（二）注意事项
1.常温冲击试验必须严格控制实验室温，一般要求在（20±5）℃的范围内，因室温的高低对试样的韧脆状态转化有影响。如在室温下有脆性转化趋势的材料，可能因为室温过高而被掩饰了，故对室温必须严格规定。
2.不同尺寸试样所得αK值不可相互比较。
3.在摆锤摆动范围内，不得有任何人员活动或放置障碍物，以保证安全。
五、实验报告
1.简述冲击实验的原理和应用。
2.整理试验数据，记录于表2-1，对实验结果进行分析和讨论。
表2-1 冲出实验结果记录
六、问题与讨论
1.比较低碳钢和铸铁两种材料的αK值，绘出两种试样的断口形貌，指出各自的特征。
2.如何通过冲击实验后的冲击断口来评定材料的断裂性质和缺陷？
参考文献
李国安.材料力学性能实验指导.武汉：华中科技大学出版社，2002.