金属材料冲击韧性影响因素

韧性是金属材料重要的性能指标之一，它体现了金属材料的强度、塑性，韧性越好，金属材料越不易发生脆性断裂。韧性包括断裂韧性和冲击韧性，冲击韧性是金属材料在受到冲击载荷作用下在断裂过程中吸收的能量，反映了金属材料的韧脆程度，金属材料冲击韧性测试一般采用仪器化华夏比摆锤冲击试验、落锤冲击试验、悬臂梁冲击试验等方法。冲击韧性的高低与金属材料内部结构、组织缺陷等有关，有多种影响因素影响冲击韧性，主要包括原材料本身的性质、试样的取向、缺口几何形状和加工质量、试验机的精度、摆锤与机架的配合、试验温度、冲击试样的定位等。

冲击韧性是指金属材料在冲击负荷作用下，抵抗破坏的能力（吸收塑性变形功和断裂功的能力），其大小代表了试样抑制原始裂纹出现的能力的大小。一般由冲击韧性值（αk)和冲击功（Ak)表示，其单位分别为J/cm2和J(焦耳）。冲击軔性或冲击功试验（简称“冲击试验”），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为“V”形缺口和“U”形缺口冲击试验两种。

冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。

冲击韧度αk表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。αk值的大小表示材料的韧性好坏。一般把αk值低的材料称为脆性材料，αk值高的材料称为韧性材料。αk值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。

αk值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使αk值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处的应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。

因此不同类型和尺寸的试样，其αk或Ak值不能直接比较。材料的αk值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，αk值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（Tk）”。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。

冲击负荷的特点是加载速度快，作用时间短，金属受到冲击时应力分布和变形很不均匀，工件往往易开裂。

1、原材料的影响

金属材料的冲击韧性与金属材料自身的金相组织结构、化学成分、物理性能、加工工艺、热处理工艺等均有关，因此冲击试验成为检查金属材料的冶金质量的手段。由于原材料自身性能的影响，导致冲击试验结果的离散性较大。

研究材料化学成分(包括C、Si、Mn、P、S)金相组织(组成相、晶粒度、带状组织)、热处理工艺、非金属夹杂等对板材冲击韧性的影响，结果表明：化学成分是通过组织来影响金属材料冲击韧性的，当C、P、S含量增加时，冲击韧性减小，珠光体含量越高则冲击韧性越小，铁素体含量越高则冲击韧性越大，非金属夹杂会破坏组织的连续性，导致应力集中，因此提高组织均匀性和钢材中洁净度水平，可以提高材料冲击韧性。

通过实验研究了球墨铸铁冲击韧性的影响因素，研究表明：强度低、塑性和韧性好的铁素体含量越高，冲击韧性则越好；网状的渗碳体会恶化球墨铸铁的韧性，其数量越多球墨铸铁的冲击韧性越差，一般提高含碳量可以提高球墨铸铁材料的冲击韧性。

2、冲击试样取样方向的影响

实际生产和工程应用中，金属材料大多都采用轧制的方式，在轧制过程中金属夹杂伴随着金属晶粒沿着主变形方向被拉长，形成金属纤维组织，严重影响金属材料的冲击韧性。因此，沿着轧制方向取样，即试样长轴平行于轧制方向，缺口开在垂直于轧制方向上，这样取样使得冲击韧性较大；反之，垂直于轧制方向取样，顺着轧制方向开缺口，这样取样使得冲击韧性较小。

3、缺口几何形状和加工质量的影响

3.1 缺口几何形状

根据GB/T229-2007标准中对缺口形状的分类，主要分为U型和V型两种缺口，V型缺口相比U型缺口，应力更加集中，通过对比试验发现，两种缺口的冲击韧性存在差异。

在室温条件下，研究了5种不同缺口形状对铁基烧结材料冲击韧性的影响，结果表明，有缺口的冲击试样无论缺口形状为何，其冲击韧性都远小于无缺口的冲击试样，有缺口的试样断口塑性变形明显，无缺口的冲击试样断口无塑性变形；文章还对V型、U型、I型、半圆型等缺口类型的冲击韧性进行了比对试验，发现其冲击韧性从大到小依次为：半圆型、U型、V型、I型冲击试样。

综上所述，对于同种金属材料，有缺口试样的冲击韧性远小于无缺口试样，缺口冲击试样的缺口会使得金属材料应力更加集中，冲击韧性变差；对于缺口冲击试样其应力集中显著程度从大到小依次为：I型、V型、U型、半圆型冲击试样。

3.2 缺口加工质量

缺口加工质量是影响缺口冲击试样冲击韧性的重要因素之一。缺口加工质量主要是通过影响缺口附近应力、应变集中程度来影响材料冲击韧性的。研究表明，冲击韧性随着冲击试样缺口深度的增加逐渐减小，随着缺口根部半径的增大，金属材料冲击韧性逐渐增大；冲击韧性随着缺口底部加工划痕、硬化程度的增加而逐渐减小。因此，应该严格按照GB/T229-2007中冲击缺口试样缺口尺寸的规定加工冲击试样。相关研究表明：对于冲击韧性较大的材料，冲击试样加工精度对试验结果的影响越大，所以试验结果的分散性也越大。

4、试验机的影响

4.1 试验机的精度

金属材料冲击韧性对冲击试验机的精度有一定的要求，精度低的试验机对冲击韧性影响较大，所以在安装、调修和检定冲击试验机时应该加以重视。冲击韧性还与冲击试验机读数装置的误差有关，因此试验前应该执行清零操作。

4.2 摆锤与机架的配合

冲击试验为一次性破坏试验，因此摆锤与机架的配合至关重要。摆锤与机架的配合主要包括：摆锤轴线和基准面的平行度、摆锤侧面与摆动平面的平行度、摆轴径向和轴向间隙、摆轴轴线至打击中心的距离、冲击刀刃与支座跨距的相对位置等，这些均应满足JJF145-2007中计量性能的要求。当冲击刀刃与支座跨距中心的相对位置不满足要求时，冲击刀刃与试样缺口中心线不能重合，导致测量结果不准确，冲击韧性会偏大。

5、试验过程的影响

5.1 试验温度

试验温度也是材料冲击韧性重要影响因素之一，在冲击韧性试验过程中，找到材料所处的脆性区温度范围，在使用过程中可以加以控制，避免脆性区温度对材料的影响。不同的有色金属材料其冲击韧性受温度的影响均不同，但冲击吸收功都与温度的高低、温度均匀度、保温时间的长短等有关。

5.2 冲击试样的定位

冲击试样的定位是为了保证冲击试样缺口的中线与摆锤上冲击刀刃重合，减小试验操作误差，如果其相对位置不重合，不能满足要求的0.5mm，则最大冲击力无法作用在冲击试样缺口根部最小横截面处，最终导致冲击韧性偏大。

6、结论

通过此次对金属材料冲击韧性的影响因素分析，明确了冲击试样的原材料、试样的取向、缺口几何形状和加工质量、试验机的精度、摆锤与机架的配合、试验温度、冲击试样的定位等因素对金属材料冲击韧性的影响，为正确评定金属材料的韧脆性以及提高实验结果的准确性提供了依据。