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重要的脆性傾向問題和材料冶金質量、內部缺陷情況極為敏感，是檢查材料脆性傾向和冶金質量的非常方便的辦法。因此，這種試驗方法在產品質量檢驗、產品設計和科研工作中仍然得到廣泛應用。自20世紀60年代以來，斷裂力學和斷裂金屬學的飛速發(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)_擊試驗機基本構造如下圖所示：

擺錘式?jīng)_擊試驗機構造示意圖

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和波傳導特點，與載荷和變形速度有很大關系。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，并不一定是實際結構件沖擊抗力也大；沖擊試樣的脆性轉變溫度并不是實際結構的韌脆轉變溫度。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。
3.2、 沖擊試驗在檢驗材料品質、內部缺陷及工藝質量等方面非常敏感。   

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，中碳結構鋼 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晶脆。在更高溫度，若鋼中含硫量較高時，會在晶界上產生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、鐵素體類型的結構鋼及鑄鐵等)、隨溫度下降可能發(fā)生由韌性向脆性的轉變，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、管道和其他金屬結構相當重要。測定表明材料低溫韌脆轉變行為的韌脆轉變曲線以及韌脆轉變溫度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；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所對應的溫度為韌脆轉變溫度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 的相當溫度ETTn表示，如與1/2(AKmax+AKmin)相當?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，也與機件服役過程中發(fā)生脆性斷裂時，所承受的應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。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%與試驗溫度的關系來建立韌脆轉變曲線，并以一定的FA%值來確定轉變溫度。例如常用50%(面積分數(shù))解理斷口與50%(面積分數(shù))纖維斷口下的相應溫度作為韌脆轉變溫度，叫做斷口形貌轉變溫度FATT( Fracture Apperance Transition Tempera-ture)。經(jīng)驗表明，用斷口形貌所做的轉化曲線的轉化溫度位置，與用斷裂韌度KC所做的轉化曲線的韌脆轉化溫度位置比較一致，而用能量準則所做轉化曲線與K轉變曲線差別較大。   

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?shù)目ㄆ�直接得出相應的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變溫度，叫側向寬展轉變溫度LETT( Lateral Expansion Transition Temperature)，如1%或3.8%，3.8%相當于10mm款試樣擴展出了0.038mm 。

3.3.2 經(jīng)驗準則
  對于某種產品，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不應小于29.4J/cm2 。   

常用的國產鋼鐵產量典型處理工藝的沖擊值如表3所示。
▼表3 國產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

    上述沖擊試驗結果只能表明材料脆性傾向的大小，不能代表結構或機件實際韌脆狀態(tài)和實際韌脆轉變溫度。在實驗室條件下，   能夠獲得比較真實的冷脆轉變行為的方法是斷裂力學和斷裂韌度方法。為與斷裂力學方法平行，還發(fā)展了一系列能夠良好地表明實際結構冷脆轉變行為的工程實用方法。其中主要是，從斷裂形式轉變溫度出發(fā)的落錘試驗(pwr)，從試樣沖斷吸收功轉變溫度出發(fā)的動態(tài)撕裂試驗(DT)和從斷口形貌形式轉變溫度出發(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造物的冷脆轉變性質評定。

4.1 鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗(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，斷裂時的應力尚不能使材料產生屈服，發(fā)生這種破裂的最高溫度定義為“無塑性轉變溫度”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，以干冰或液氮做冷源，將試樣放在盛有低溫介質的容器中降溫，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，縱坐標是外加應力與屈服于應力的比，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?shù)膽�力水平。缺陷處和溫度條件。建立此圖只需知道無塑性轉變溫度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計和評價材料有主要價值。   

對厚板（如增大到75mm的板），其轉變溫度將擴大為：
    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，將相當于試樣厚度距離的斷口表面，和缺口對面相當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%與試驗溫度的關系繪成曲線，得出DWT轉化曲線。圖20所示，為某種管道用鋼的CVN和DWTT溫度曲線的對比，DWTT曲線轉化溫區(qū)明確，曲線很陡，CVN轉化曲線平緩，轉化溫度不明確，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試驗還表明了結構裂紋長程擴展的韌脆轉化行為，這是別的試驗方法所不具備的。