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第五章材料的低温性能 断口形貌准则法 冲击试样冲断后，其断口形貌如图所示．如同拉伸试验一样，冲击试样断口也有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇几部分，但在不同试验温度下，3个区之间的相对面积是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆．通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为Tk，并记为50%FATT(fracture appearance transition temperature)或FATT50、T50。 50%FATT反映了裂纹扩展变化特征，可以定性地评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的能力．实验发现，50%FATT与断裂韧度KIc开始急速降低的温度有较好的对应关系，故得到广泛应用。但此方法需要目测评定各区所占面积，受人为影响较大，要求测试人员有较丰富的经验。 TITANIC 建造中的Titanic TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关 * * 一、冲击弯曲试验与冲击韧性 生产中很多机件和工具、模具受冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、行驶的汽车通过道路上的凹坑，及材料的压力加工(锻造、冲裁、模锻)等，为了评定材料承受冲击载荷的能力，揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。 冲击试验：一次冲击试验 多次冲击试验 (1) 一次冲击试验 1. 冲击试验 αk= Ak /S0 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比(Charpy) U型缺口试样和夏比v型缺口试样，所测得的冲击吸收功分别记为Aku和Akv 。 一般评定材料时，希望揭示不同材料在冲击功方面的差异，因此，应根据材料的韧性情况，选择合适的缺口型式。 对于一组韧性很高的材料，应选用尖锐缺口试样，而对于韧性差的材料，则应选用钝缺口试样甚至不开缺口。 测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10mm×l0mm×55mm的无缺口冲击试样。 在测量高铬铸铁等耐磨材料的冲击韧性时，有时采用20mm×20mm×110mm无缺口试样。 高铬铸铁的显微组织 (2) 多次冲击试验 大量实践表明：即使那些通常认为承受剧烈冲击载荷的机件，也很少有只经受一次或几次冲击就断裂的。 当试祥破坏前承受的冲击次数少于500~1000次，试样断裂的规律与一次冲击相同； 当冲击次数N＞105时，破坏后具有典型的疲劳断口特征。这是各次冲击损伤积累的结果，根本不同于一次冲击破坏的过程，所以多冲抗力不能用Ak值简单代替。 为了解决机件多冲断裂失效问题，应对材料进行小能量的多次冲击试验，提出多冲抗力，并研究它的变化规律。 多次冲击试验在落锤式多次冲击试验机PC-150上进行，冲击频率为450周次/min和600周次/min，冲击能量靠冲程调节而变换(0.1~1.5J)，可做多冲弯曲、拉伸和压缩试验．试验后可绘制出冲击功A—冲断次数N曲线，如图所示。从A-N多冲曲线不难看出，随冲击功A的减少，冲断次数N增加。 2. 冲击韧性的工程意义 长期以来，一直将αk视为材料抵抗冲击载荷作用的力学性能指标，用来评定材料的韧脆程度，作为保证机件安全设计的指标。但αk表示单位面积的平均冲击功值，是一个数学平均量，实际上冲击试样承受弯曲载荷，缺口截面上的应力应变分布是极不均匀的，塑性变形和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，故取平均值是毫无物理意义的。 (1) 一次冲击 冲击功Ak虽可表示材料的变脆倾向，但不能真正反映材料的韧脆程度，因为用于冲断试样的冲击功Ak并非完全被试样的变形和断裂过程所吸收，其中有一部分功消耗于空气阻力、机身振动、轴承与测量机构的摩擦及冲断试祥的飞出等。尽管冲击吸收功不能真正代表材料的韧性程度，但由于它对材料成分、内部组织变化十分敏感，而且一次冲击弯曲试验方法简便易行，所以仍被广泛采用。 一次冲击弯曲试验主要用于评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量和评定材料在不同温度下的脆性转化趋势。 a. 它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过测量Ak值和对冲断试样的断口分析，可揭示原材料中的气孔、夹杂、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷；还可检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷． b. 测定材料的韧脆性转变温度．根据系列冲击试验(低温冲击试验)可获得Ak与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计． c. 对σs大致相同的材料，根据Ak值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性． (2) 多次冲击 材料的多冲抗力是一个取决于强度和塑性的综合力学性能，目前还没有统一表示多冲