一、沖擊試驗的定義

    沖擊試驗是把要試驗的材料 制成規(guī)定形狀和尺寸的試樣，在沖擊試驗機上一次沖斷，用沖擊試樣所消耗的功和斷口形貌特點，經(jīng)過整理得到規(guī)定定義的沖擊性能指標。例如，沖擊韌度、沖擊吸收功，以及纖維斷口所占斷口面積的百分比等。沖擊試驗所得性能指標沒有明確的物理意義，所得性能數(shù)據(jù)也不直接用于對所測性能做定量評價或設(shè)計計算；但沖擊試驗簡單方便，是最容易獲得的材料動態(tài)性能試驗方法，迄今已積累了大量的沖擊試驗數(shù)據(jù)和評價這些數(shù)據(jù)的經(jīng)驗。沖擊試驗對材料使用中至關(guān)重要的脆性傾向問題和材料冶金質(zhì)量、內(nèi)部缺陷情況極為敏感，是檢查材料脆性傾向和冶金質(zhì)量的非常方便的辦法。因此，這種試驗方法在產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、產(chǎn)品設(shè)計和科研工作中仍然得到廣泛應(yīng)用。自20世紀60年代以來，斷裂力學(xué)和斷裂金屬學(xué)的飛速發(fā)展表明，沖擊試驗得到的沖擊值與斷裂韌度有較密切的關(guān)系，可用沖擊試驗值來估算斷裂韌度，或直接用沖擊試驗的方法來測量動態(tài)斷裂韌度和止裂韌度；還發(fā)展了帶有沖擊示波裝置的電子計算機的沖擊試驗機，用以顯示和記錄沖擊變形過程中彈性變形、塑性變形、裂紋萌生和裂紋擴展諸階段的能量分配，對于測定材料斷裂性能和研究斷裂過程具有重要意義。

二、  沖擊試驗與沖擊試驗機
擺錘式?jīng)_擊試驗機基本構(gòu)造如下圖所示：

擺錘式?jīng)_擊試驗機構(gòu)造示意圖

沖擊試驗所用試樣尺寸是10×10×55方形試樣，中間在一個面加工出V型或U型缺口，如圖1 所示。

▲圖1 試樣種類及尺寸

a）U形缺口  b）V形缺口

沖擊試樣三維圖（上V形缺口、下U形缺口）

所用試驗機為擺錘式，擺錘擺動的最低位置為放試樣處，試樣支座、擺放位置及擺錘刀刃見圖2 。

圖2 試樣支座、擺放位置及擺錘刀刃   

將試樣放在距離為40mm的試驗支座上，將揚起的擺錘釋放，擺錘下落時，通過最低位置打斷試樣，繼續(xù)向前擺動到一定位置停下，則試樣被沖斷所吸收的功為：    
    Ak=M（cosβ-cosα）

式中的 M為擺動常數(shù)，其值為擺錘重量與擺動半徑之積，擺動半徑為擺錘重心至旋轉(zhuǎn)中心的距離。在試驗機表盤上，依β值大小，等角度刻出了相應(yīng)沖擊吸收功AK。    

圖3 所示為沖擊試樣所消耗的功的計算。實際試驗機上有不同指針來指示沖擊吸收功。

圖3 沖擊試樣所消耗的個計算   

對于U形缺口和V形缺口試樣，規(guī)定了兩類性能指標：   

1，沖擊吸收功AKV和AKU：二者是指試樣被沖斷時所吸收的功，單位 J 或N·m 。   

2，2，沖擊韌度aKV或aKU : 二者是沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫斷面面積之商，單位為 J/cm2或N·m/cm2。    

現(xiàn)在，國內(nèi)外比較廣泛采用的是V形缺口試樣，并且用的比較多的是AKV指標，美國用CV或CVN表示。過去前蘇聯(lián)應(yīng)用較多的是U形缺口試樣，我國也用過較長時間，現(xiàn)已較少采用。在GB/T229 中只規(guī)定AKV、AKU2、AKU5三個沖擊吸收功指標，其下標中的2、5表示的是U形缺口深度為2mm、5mm。我國長期使用aKV或aKU ，積累了大量有關(guān)數(shù)據(jù)資料，雖然這兩個指標在GB/T229 -xxxx中被取消，但在引用舊文獻時需要予以注意。    

對于較薄原材料或從實物上取10×10×55標準試樣較困難時，允許取7.5×10×55或5×10×55等小尺寸試樣。但小尺寸試樣的沖擊吸收功，其大小并不等比于其缺口處面積與標準尺寸試樣缺口處面積的比例，這一比例在標準中有另外規(guī)定。我國石油天然氣行業(yè)標準SY/T6194-2003和美國石油學(xué)會標準 API 規(guī)定了小尺寸沖擊試樣沖擊吸收功的遞減系數(shù)。7.5×10×55的是0.8，5×10×55的是0.55 。也就是說，假如標準試樣的AKV值為50 J，那么7.5×10×55試樣的沖擊值必須為 50×0.8=40J 的時候才與標準試樣的50 J 等效，而不是50×0.75=37.5J。其余類推。   

各國標準中，對試樣缺口部分的尺寸與公差有明確規(guī)定，所以在進行試驗或參看資料時，必須注意執(zhí)行的是什么標準。

▼表1 各國關(guān)于V性缺口尺寸及公差的規(guī)定

▼表2 各國夏比沖擊試驗機主要參數(shù)

    沖擊試樣缺口有專用的拉制設(shè)備。缺口形狀和尺寸也有專用的投影儀檢測其是否符合要求。

沖擊試樣缺口拉床（手動式）

沖擊試樣缺口投影儀

三、沖擊試驗的應(yīng)用

    沖擊試樣斷口如下圖所示：

沖擊試樣斷口形貌

   

3.1、沖擊功表示材料抵抗沖擊載荷的能力。   

  到現(xiàn)在為止，沖擊試驗是工程上獲得材料動態(tài)強度和變形能力最方便、最簡單的方法，所以習(xí)慣上用沖擊值來表示材料抵抗沖擊載荷能力的大小。沖擊抗力有明顯的的體積效應(yīng)和波傳導(dǎo)特點，與載荷和變形速度有很大關(guān)系。因沖擊試驗是在特定試驗條件（加載速度、試樣尺寸和缺口形狀）下獲得的，所以沖擊試驗得到的沖擊值大，并不一定是實際結(jié)構(gòu)件沖擊抗力也大；沖擊試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度并不是實際結(jié)構(gòu)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。另外，沖擊值是一個能量概念，它包含著強度和塑性兩方面的貢獻。強度高塑性低些的材料可以有較高的沖擊值；強度差些而塑性較好的材料也可以有較高的沖擊值。對于前—種情況，雖然沖擊值不低，但機件在服役過程中，仍然會有不能忽視的脆性傾向。因此，用沖擊值表示沖擊抗力和脆性傾向，不能用于定量計算，有很大的條件性，并且具有明顯的經(jīng)驗性質(zhì)。
3.2、 沖擊試驗在檢驗材料品質(zhì)、內(nèi)部缺陷及工藝質(zhì)量等方面非常敏感。   

例如，疏松、夾雜、流紋、白點、過燒、過熱等，以及變形時效、回火脆性等，都可以從沖擊值大小明顯反映出來。例如，中碳結(jié)構(gòu)鋼 40MnB 硼含量極微，但對淬透性有重大影響。硼含量稍微過量，將有脆性“硼相”自晶界析出，大大降低沖擊值。圖4 所示，為硼含量對40MnB 鋼沖擊值的影響。晶粒大小對沖擊值和韌脆轉(zhuǎn)變溫度有重大影響，圖5所示，為純鐵和w(Ni)為36%的鐵，晶粒尺寸對韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT的影響。不同處理方式，對沖擊值也有明顯影響圖6所示，為30 CrMnSi鋼370°C等溫淬火和淬火+500°C回火不同試驗溫度的沖擊值，其強度水平基本相同(σb=1260-1270MPa)條件下的沖擊值有明顯差別。18CrNiW鋼890°C加熱，油冷得到低碳馬氏體，爐冷得到粒狀貝氏體，空冷得到低碳馬氏體與粒狀貝氏體混合組織，不同火溫度，室溫15°C沖擊吸收功AKV及韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT曲線如圖7所示。

▲圖4 硼含量多40MnB沖擊值的影響

  ▲圖5 晶粒尺寸對韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT的影響

▲圖6 30CrMnSi 鋼370℃等溫淬火和淬火+500℃回火不同試驗溫度的沖擊值

▲圖7 18CrNiW鋼油冷、空冷、爐冷及不同回火溫度下的AKV和FATT曲線

    對鋼來講，隨著試驗溫度的變化，在某些溫度范圍，材料沖擊韌度呈現(xiàn)急劇下降現(xiàn)象，

見圖8 。常用沖擊試驗來檢驗材料脆性發(fā)展情況（如冷脆、藍脆、重結(jié)晶脆、紅脆等現(xiàn)象）。

▲圖8 鋼的幾個脆性溫區(qū)
  藍脆現(xiàn)象是指鋼在加熱到500℃左右時，出現(xiàn)沖擊值急劇下降的現(xiàn)象，這是表面氧化色呈藍色故稱藍脆。在Ac1~Ac3溫度區(qū)間，鋼中存在α與γ兩相混合組織，沖擊韌度較低稱為重結(jié)晶脆。在更高溫度，若鋼中含硫量較高時，會在晶界上產(chǎn)生FeS-Fe的共晶體，時沖擊韌度下降，稱為紅脆。    上述脆性都是指正在該溫度時出現(xiàn)的脆性現(xiàn)象，當(dāng)溫度下降離開該溫度區(qū)時，這種脆性不再存在。但有些脆性現(xiàn)象卻是在某一溫度加熱后，直至冷卻到室溫仍然保留。如第一類、第二類回火脆性。此外，在大致相當(dāng)藍脆溫度長期停留(幾百至幾千小時)，冷到室溫仍然存在脆性，稱為熱脆。熱脆現(xiàn)象研究對在藍脆溫區(qū)使用的鍋爐、壓力容器及管道等很重要。
3.3、低溫脆性問題

低溫箱

  面心立方點陣以外的金屬材料(如常用的珠光體、鐵素體類型的結(jié)構(gòu)鋼及鑄鐵等)、隨溫度下降可能發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，即低溫脆性或冷脆(見圖8)。冷脆現(xiàn)象對車輛、橋梁、艦船、低溫工作的容器、管道和其他金屬結(jié)構(gòu)相當(dāng)重要。測定表明材料低溫韌脆轉(zhuǎn)變行為的韌脆轉(zhuǎn)變曲線以及韌脆轉(zhuǎn)變溫度tK的試驗，稱為系列沖擊試驗。GBT229 中規(guī)定了系列沖擊試驗法，試驗時將試樣浸入盛有低溫介質(zhì)的容器中，對于-78°C以上的溫度，可用不同比例的固態(tài)二氧化碳(干冰)與酒精混合作為低溫介質(zhì)；對于更低的溫度，可用不同比例的液氮與氟里昂或酒精混合獲得。低溫介質(zhì)的溫度須比試驗溫度低2~3°C，以補償試樣從取出到?jīng)_斷這段時間的溫度回升。用低溫溫度計測量溫度，到溫后保溫15min，用絕熱性能好的夾鉗(如竹夾子)將試樣迅速夾持到試驗機支座上對正擺好，釋放擺錘，將試樣沖斷。標準規(guī)定，從試樣離開低溫介質(zhì)到?jīng)_斷，這段時間不得超5s 。以防止試樣溫度有過多的回升。更精細一點，須作出試件離開低溫加之后，隨時間增加，溫度回升是曲線，對實際沖擊試驗溫度進行校正。   

確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法有下面幾種：
3.3.1 能量準則。       

1）用0.4 AKmax所對應(yīng)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度tK ，如t1 。   

2）用上平臺與下平臺之間能量的一定百分比數(shù) n 的相當(dāng)溫度ETTn表示，如與1/2(AKmax+AKmin)相當(dāng)?shù)臏囟?/span>t2，記做ETT50    

3）用完全塑性撕裂的韌性開裂最低溫度，即與達到上平臺AKmax的起始溫度相應(yīng)的溫度做tK ,如t3  。    

4）用完全解理斷裂的脆性開裂的最高溫度，即與保持下平臺的AKmin最高溫度相對應(yīng)的溫度做tK，如t4 。   

至于選用哪一種能量準則，與所要求的保證不發(fā)生脆性斷裂的期望值大小有關(guān)，也與機件服役過程中發(fā)生脆性斷裂時，所承受的應(yīng)力與材料屈服強度的比和機件中存在的缺陷的情況等有關(guān)。此外，還要與經(jīng)濟效果等因素綜合考慮。4.3.2 斷口特征準則。   

一些鋼制件、大型鑄鍛件及焊接件，現(xiàn)在常根據(jù)斷口上解理斷裂面積與纖維斷裂面積的比FA%與試驗溫度的關(guān)系來建立韌脆轉(zhuǎn)變曲線，并以一定的FA%值來確定轉(zhuǎn)變溫度。例如常用50%(面積分數(shù))解理斷口與50%(面積分數(shù))纖維斷口下的相應(yīng)溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，叫做斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度FATT( Fracture Apperance Transition Tempera-ture)。經(jīng)驗表明，用斷口形貌所做的轉(zhuǎn)化曲線的轉(zhuǎn)化溫度位置，與用斷裂韌度KC所做的轉(zhuǎn)化曲線的韌脆轉(zhuǎn)化溫度位置比較一致，而用能量準則所做轉(zhuǎn)化曲線與K轉(zhuǎn)變曲線差別較大。   

GBT12778 規(guī)定了沖擊斷口測定方法。斷口形貌可用測量顯微鏡進行測量、測量試樣斷口中心結(jié)晶狀斷口區(qū)域的寬度和高度 AxB 如圖11所示，然后依標準中所附的測量用表查出相應(yīng)的FA%。另一種方法是卡片法，標準中附有一系列不同F(xiàn)A%的卡片，選用與斷口上FA%相當(dāng)?shù)目ㄆ�直接得出相�?yīng)的FA%值。還有一種斷口特征準則，是依據(jù)試樣沖斷后受壓一面變寬的情況來確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，叫側(cè)向?qū)捳罐D(zhuǎn)變溫度LETT( Lateral Expansion Transition Temperature)，如1%或3.8%，3.8%相當(dāng)于10mm款試樣擴展出了0.038mm 。

3.3.2 經(jīng)驗準則
  對于某種產(chǎn)品，一句大量使用的經(jīng)驗和統(tǒng)計資料，得出沖擊值達到某一數(shù)值時而不至于發(fā)生某種類型的脆性斷裂事故。例如，二次世界 大戰(zhàn)期間，出現(xiàn)脆性斷裂事故的焊接郵輪統(tǒng)計表明，如果船板的夏比沖擊吸收功AKV大于20.5 J 的話，將不發(fā)生脆斷事故，因此在造船工業(yè)中，廣泛使用20.5J準則。但是，隨著造船工藝的發(fā)展，更高強度級別鋼板的使用，這個準則不能可靠地保證安全，我國相關(guān)船舶查出來試驗規(guī)范規(guī)定，焊接破冰船用12mm以上鋼板，在-40℃做沖擊試驗時，沖擊韌度aKU不應(yīng)小于29.4J/cm2 。   

常用的國產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)量典型處理工藝的沖擊值如表3所示。
▼表3 國產(chǎn)鋼鐵材料典型處理工藝的沖擊值（常溫）

四、幾種接近實際服役條件的沖擊試驗

    上述沖擊試驗結(jié)果只能表明材料脆性傾向的大小，不能代表結(jié)構(gòu)或機件實際韌脆狀態(tài)和實際韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在實驗室條件下，   能夠獲得比較真實的冷脆轉(zhuǎn)變行為的方法是斷裂力學(xué)和斷裂韌度方法。為與斷裂力學(xué)方法平行，還發(fā)展了一系列能夠良好地表明實際結(jié)構(gòu)冷脆轉(zhuǎn)變行為的工程實用方法。其中主要是，從斷裂形式轉(zhuǎn)變溫度出發(fā)的落錘試驗(pwr)，從試樣沖斷吸收功轉(zhuǎn)變溫度出發(fā)的動態(tài)撕裂試驗(DT)和從斷口形貌形式轉(zhuǎn)變溫度出發(fā)的落錘撕裂試驗(DWT)，試驗中均用了較大尺寸的試樣。這些試驗主要用于艦船、管道、容器以及其他金屬構(gòu)造物的冷脆轉(zhuǎn)變性質(zhì)評定。

4.1 鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(DWT)與斷裂分析圖

落錘式?jīng)_擊試驗機

  隨試驗溫度從低到高，鐵素體、珠光體類型的鋼板件斷裂形式將從宏觀上不顯示塑性變形的低應(yīng)力彈性斷裂到逐漸顯示塑性變形的斷裂，以至完全韌性斷裂，具體可分為如下4種類型：   

(1) 低溫下完全彈性脆斷。這時材料的屈服強度高，斷裂時的應(yīng)力尚不能使材料產(chǎn)生屈服，發(fā)生這種破裂的最高溫度定義為“無塑性轉(zhuǎn)變溫度”NDT(Nil- Ductility Transition)。   

(2)起裂部位先經(jīng)過塑性變形，然后解理起裂。但是裂紋仍然可以延伸到未經(jīng)過塑性變形的彈性區(qū)，即仍然可在應(yīng)力低于屈服點的彈性區(qū)中傳播，這種破裂形式的最高溫度叫“彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度”FTE( Fracture Transition Elastic)   

(3)試驗板中心先發(fā)生塑性變形，然后解理起裂，并且裂紋只在經(jīng)過塑性變形的區(qū)域中傳播，不再擴展到周圍的彈性區(qū)中去，即不再發(fā)生低于屈服應(yīng)力的脆性開裂。發(fā)生這種斷裂形式的最高溫度叫“塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度”FTP(Freture Transition Plastic)。   

(4)在出現(xiàn)塑性開裂后，只出現(xiàn)纖維撕裂(剪切)的裂口，裂口上無解理開裂形貌NDT、PTE、FTP就成為幾種斷裂形式的溫度界限，為了測定材料的NDT，發(fā)展了落錘試驗，經(jīng)驗表明，對一般厚度在50mm以下的銅板，NDT與E，F(xiàn)TP有一簡單關(guān)系，

即：    ETE=NDT+33℃    FTP=NDT+67℃
  因此，用落錘試驗測定NDT后，即可推知FTE、FTP。
  標準中規(guī)定，落錘試驗是將一定厚度（標準規(guī)定厚度為16~25mm）板件加工成試樣，在試樣寬度中心沿長度方向堆焊一脆性焊道，在焊道中間開一缺口，使試樣在承受落錘沖擊時，缺口處形成裂紋源，試樣形狀如圖12所示。尺寸如表4所示。

▲圖12 落錘試驗用試樣    
▼表4 落錘試驗試樣尺寸（mm）

  以酒精、氟利昂等做冷卻介質(zhì)，以干冰或液氮做冷源，將試樣放在盛有低溫介質(zhì)的容器中降溫，到溫后，將試樣取出放在落錘試驗機的試樣支座上，將試樣沖斷。試樣支座如圖13所示，依不同型號，試樣制作有一定跨距。跨距中間有限制試樣彎曲撓度的終止臺。終止臺的高度要使試樣在收到?jīng)_擊撓曲到與終止臺接觸時受拉一面的應(yīng)力恰好達到屈服強度。因此，試樣在實驗時，如果斷裂，則是未經(jīng)屈服的無塑斷裂，這樣得到的最高溫度，即無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT。若發(fā)生屈服，則試樣不斷。  

▲圖13 落錘試驗機的試樣支座  
  測得了NDT以后，依式 ETE=NDT+33℃和 FTP=NDT+67℃推知材料的FTE 和 FTP ，依DNT、FTE 、FTP  可建立工作應(yīng)力、缺陷尺寸和溫度三個因素綜合作用斷裂形式的斷裂分析圖，如圖14所示。

▲圖14 斷裂分析圖上圖橫坐標是溫度，縱坐標是外加應(yīng)力與屈服于應(yīng)力的比，它明確地表示了鋼板裂紋起裂、傳播和止裂等破壞形式和與之相當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平。缺陷處和溫度條件。建立此圖只需知道無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT、不同溫度下的屈服點σs和抗拉強度σb，因而比較方便，它在防止不同程度脆性破壞的設(shè)計和評價材料有主要價值。   

對厚板（如增大到75mm的板），其轉(zhuǎn)變溫度將擴大為：
    ETE=NDT+72℃    FTP=NDT+94℃
4.2 動態(tài)撕裂試驗
    GB/T5482-2007和美國ASTM E604-1983中規(guī)定的動態(tài)撕裂試驗（DT）所用試樣機支承形式如圖15 。

▲圖15 DT試驗的試樣與支承     

常用試樣尺寸為t×40×180  。試驗時，試樣承受三點彎曲沖擊載荷，支承支座跨距165±0.8mm 。試樣下面受拉一方開有缺口，缺口深度試樣韌帶尺寸保持（28.5±0.2mm），缺口先用銑削或線切割加工，然后用硬度不低于HRC60 的壓力壓制缺口頂端 。厚度大于16mm的樣坯，可加工成16mm后的試樣； 取自板厚5~16mm的試樣，保留原軋制表面。厚度等于或大于25mm的DT試驗試樣及其制備，標準中有專門規(guī)定。   

試樣落錘式或擺錘沖擊式?jīng)_擊機一次沖斷， 記錄試驗溫度 t 與沖擊量 ΔE， 繪成  ΔE -t 曲線。圖16所示為σs為980MPa的高強度鋼的Ni-Cr-Mo-V鋼焊縫的CVN和DT的溫度曲線，可見其CVN數(shù)據(jù)分散很寬，而DT數(shù)據(jù)集中，轉(zhuǎn)化溫度明確。圖17所示為2.25Cr-Mo鋼經(jīng)淬火回火處理的CVN和DT溫度曲線，從曲線圖上看出，CVN曲線上平臺溫度卻相當(dāng)于DTD試驗的NDT（-20℃ ）。

▲圖16 一種Ni-Cr-Mo-V鋼焊縫金屬CVN和DT溫度曲線

▲圖17 2.25Cr-Mo鋼淬火回火處理的CVN、DT溫度曲線
4.3 落錘撕裂試驗（DWTT）
  落錘撕裂試驗是用一定尺寸的板狀試樣，用工具鋼刃形壓頭在試樣一邊壓出尖銳缺口，以便在沖擊時形成裂紋源，冷至不同溫度，在擺錘式或落錘式試驗機上將試樣一次沖斷，測量斷口上剪切斷口所占面積的百分比SA%。測量時，從缺口根部向里，將相當(dāng)于試樣厚度距離的斷口表面，和缺口對面相當(dāng)于試樣厚度距離的斷口表面略去不計。GB/T8363，ASTME436-1991和 API RP5L3規(guī)定試樣及支承砧座和沖擊刀刃的形狀尺寸見圖18，所得典型斷口如圖19，標準中給出了計算SA%的公式和圖表。

▲圖18 落錘撕裂的試樣、支座及常見刀刃

▲圖19 落錘沖擊試驗典型斷口

將SA%與試驗溫度的關(guān)系繪成曲線，得出DWT轉(zhuǎn)化曲線。圖20所示，為某種管道用鋼的CVN和DWTT溫度曲線的對比，DWTT曲線轉(zhuǎn)化溫區(qū)明確，曲線很陡，CVN轉(zhuǎn)化曲線平緩，轉(zhuǎn)化溫度不明確，且偏低。

因DWTT試樣寬度很大，遠比夏比試樣為寬，并在計算剪切面積時，除去了缺口附近的裂紋萌生部分和擺錘接觸的影響部分，所以DWT試驗還表明了結(jié)構(gòu)裂紋長程擴展的韌脆轉(zhuǎn)化行為，這是別的試驗方法所不具備的。