一、實驗目的
1) 掌握常溫與低溫下材料衝擊效能的實驗方法。
2) 測定金屬和高分子材料的衝擊吸收功（衝擊韌性），觀察分析兩類材料的衝擊斷口形貌，並用能量法或斷口形貌法確定金屬材料的冷脆轉變溫度t k。
3) 熟悉衝擊試驗機的結構、工作原理及正確使用方法。
二、實驗原理
材料衝擊實驗是一種動態力學實驗，它是將具有一定形狀和尺寸的u型或v 型缺口的試樣，在衝擊載荷作用下折斷，以測定其衝擊吸收功a k和衝擊韌性值α的一種實驗方法。
k1）衝擊實驗原理
衝擊實驗通常在擺錘式衝擊試驗機上進行，其原理如圖2-7-1所示。實驗時將試樣放在試驗機支座上，缺口位於衝擊相背方向，並使缺口位於支座中間（圖2-7-1b）。然後將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度h1，使其獲得一定位能mg h1。
釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩餘能量為mg h2，則擺錘沖斷試樣失去的勢能為mg h1-mg h2。如忽略空氣阻力等各種能量損失，則沖斷試樣所消耗的能量（即試樣的衝擊吸收功）為：
a k = mg（h1 -- h2）
a k的具體數值可直接從衝擊試驗機的表盤上讀出，其單位力j。將衝擊吸收功a k除以試樣缺口底部的橫截面積s n(cm2)，即可得到試樣的衝擊韌性值αk （j/cm2）：
αk = a k / s n
對於charpy u型缺口和v型缺口試樣的衝擊吸收功分別用a ku和a kv表示，它們的衝擊韌性值分別用αku和αkv表示。
αk作為材料的衝擊抗力指標，不僅與材料的性質有關，試樣的形狀、尺寸、缺口形式等都會對αk值產生很大的影響，因此αk只是材料抗衝擊斷裂的乙個參考性指標。只能在規定條件下進行相對比較，而不能代換到具體零件上進行定量計算。
2）低溫系列衝擊實驗
低溫系列衝擊實驗是對體心立方的中、低強度結構鋼的標準夏比衝擊試樣，從高溫(通常為室溫)到低溫的一系列溫度下進行衝擊實驗，以測定材料的衝擊吸收功隨溫度變化的規律（圖2-7-2），從而揭示材料的低溫脆性傾向，確定材料的冷脆轉變溫度t k。在溫度較高時，衝擊功較高，存在一上平台，稱為高階能，在這一區間表現為暗灰色、纖維狀的韌性斷裂。在低溫範圍，衝擊功很低，表現結
晶狀的脆性斷裂，衝擊功的下平台稱為低階能；在高階能和低階能之間，存在一很陡的過渡區，該區的衝擊功變化較大，衝擊功由高階能轉變為低階能，斷口形式也由纖維狀斷口經過不同比例的纖維狀/結晶狀混合斷口過渡為結晶狀斷口。此溫度範圍即為冷脆轉變溫度區間。
（a）衝擊試驗機的結構圖
（b）衝擊試樣與支座的安放圖
圖2-7-1 衝擊實驗的原理圖
根據以上曲線，可分別採用能量法或斷口形貌法來確定材料的冷脆轉變溫度t k：
a）能量法以衝擊吸收功降低到某乙個具體數值時的溫度定為t k。
對夏比u型缺口試樣，取衝擊能量為0.4a kumax所對應的溫度為t k，或取所0.5(a kumax+a kumin)對應的溫度為t k。
a kumax是指室溫下100%韌性斷口所對應的衝擊吸收功，a kumin是指剛剛出現100%結晶狀斷口時所對應的衝擊吸收功。
圖2-7-2衝擊吸收功或斷口形貌與實驗溫度的關係曲線
對夏比v型缺口試樣，通常規定某乙個衝擊吸收功所對應的溫度為缺口試樣。這個衝擊吸收功是根據構件的使用條件來選取的。如對船用鋼板，常把20j 所對應的溫度定為船用鋼板的t k。
b）斷口形貌法通過直接目測、放大鏡或體視顯微鏡測量，以衝擊斷口形貌中纖維區所佔面積下降到50%時所對應的溫度為t k，記為50%fatt。這種方法主要適用v型缺口試樣。
c) 綜合法將a k - t關係曲線中下平台開始上公升的溫度定義為t k。這個溫度相當於斷口上剛剛開始全部形成結晶狀斷口形貌時的溫度，所以也叫無塑性轉變溫度(ndt)。
試樣的冷卻是在低溫恆溫箱中進行的，冷卻介質為乾冰或液氮。試樣從低溫箱取出到沖斷的過程中，試樣的溫度會回公升，因此需要考慮過冷溫度。
三、實驗材料與樣品
金屬材料選用正火態的20鋼或調質態的40鋼；高分子材料選用共聚聚丙烯（cpp）或聚乙烯（pe），並準備酒精、液氮(或乾冰)若干。
將金屬材料加工成10mm×10mm×55mm的u型或v型缺口標準衝擊試樣，如圖2-7-3所示。將高分子材料加工成厚度d、寬度b、長度l為10mm×15mm ×120mm、缺口深度為2mm的a型、b型或c型缺口衝擊試樣，如圖2-7-4所示。
試樣開缺口的目的是為了使試樣在承受衝擊時在缺口附近造成應力集中，使塑性變形侷限在缺口附近不大的體積範圍內，並保證試樣一次就被沖斷且使斷裂就發生在缺口處。αk值對缺口的形狀和尺寸十分敏感，缺口愈深、愈尖銳，αk 值愈低，材料的脆化傾向愈嚴重。因此，同種材料用不同缺口試樣測定的αk值不能相互換算和直接比較。
對陶瓷、鑄鐵、工具鋼等一類的材料，由於材料很脆，
很容易沖斷，試樣一般不開切口。
（a）charpy u型缺口衝擊試樣
（b）charpy v型缺口衝擊試樣
圖2-7-3 標準衝擊試樣
（a）a型缺口試樣（b）b型缺口試樣
（c）c型缺口試樣
圖2-7-4 其它型式的衝擊試樣
四、實驗儀器
1) 擺錘式衝擊試驗機一台。
2) 低溫恆溫箱（或廣口保溫瓶或硬泡沫塑料容器）乙個。
3) 低溫溫度計一支。
4) 游標卡尺(最小刻度為0.02mm)一把。
5）體視顯微鏡或放大鏡一台。
五、實驗步驟
1) 用卡尺測量缺口試樣的寬度、缺口處的剩餘厚度。測量三次，取其平均值。
2) 了解衝擊試驗機的構造、工作原理、操作方法及安全注意事項。
3) 根據所測試樣衝擊韌性值的大小，選擇度盤刻度(應使試樣的衝擊能量指示值在度盤的10% ~ 90%範圍內)，並裝好相應的擺錘。
4）不裝試樣，公升起重擺空打一次，以校正試驗機的零點位置。
5) 按「取擺」按鈕，抬起並鎖住擺錘；同時將指標撥至度盤的最大刻度處。6）檢查支座間距離，對金屬材料間距為40mm；對高分子材料為70mm。
7) 冷卻試樣；根據實驗溫度要求在低溫恆溫箱內放入試樣，進行保溫。調節溫度時，要注意選好過冷溫度，以補償試樣取出到沖斷時溫度的回公升。本實驗的實驗溫度可選擇為室溫、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-75℃。
每種溫度下的衝擊試樣不少於3個。對材料的常溫衝擊實驗，此步驟可省去，直接由步驟「6」轉到步驟「8」。
8) 將試樣按規定放置在兩支座上，試樣支撐面緊貼在支撐塊上，使衝擊刀刃對準缺口試樣的中心。應當注意，低溫衝擊實驗中，試樣取出到沖斷的總時間不得超過5 s。若超過5 s，則應將試樣放回低溫恆溫箱中重新冷卻。
這項實驗操作，既要迅速，又要沉著，特別要注意安全，防止忙亂中造成事故。所有參加實驗人員應有明確分工(如負責試樣冷卻、做記錄、操作衝擊試驗機等)。進行實驗時，不得在擺錘運動平面範圍內站立、走動，一定要集中注意力，保持良好秩序。
9) 按下「衝擊」按鈕，擺錘下落，沖斷試樣。
10) 沖斷試樣後，按「制動」按鈕，使擺錘制動。
11）在度盤上讀取並記錄試樣的衝擊吸收功a ku(或a kv)，然後將指標拔回。12) **試樣，用放大鏡或體視顯微鏡觀察斷口形貌，並測量斷口中纖維區或結晶區的斷口百分率。
六、資料處理
1）計算缺口處的橫截面積。
2) 如僅測量材料的常溫衝擊韌性，可將幾個平行試樣的衝擊吸收功a ku除以缺口底部的橫截面積s n，計算出衝擊韌性值αk，然後取其算術平均值。
3）分析比較材料的抗衝擊斷裂能力，並比較不同缺口形式對a k（或αk）值的影響。
4) 通過體視顯微鏡觀察，畫出每種材料的破壞斷口草圖。
5) 根據實驗資料繪製出a k（或αk）- t k曲線，每個溫度下測得的幾個a k（或αk）值都要在圖上分別標出，然後根據這些資料點的變化趨勢描繪出一條曲線，從中確定冷脆轉變溫度t k。
6) 冷脆轉變溫度t k，可按下面的兩種方法確定：
（a）charpy u型缺口試樣：採用0.4a kumax所對應的溫度為t k，a kumax為室溫下100%纖維狀斷口時的a ku值。
（b）charpy v型缺口試樣：採用50％fatt對應的溫度為t k。
6) 實驗時，如果試樣末完全折斷，若是由於試驗機打擊能量不足引起的，則應在實驗資料a k（或αk）前加大於符號「＞」；其它情況引起的則應註明「末折斷」字樣。
七、思考題
1）衝擊試樣為什麼要開切口? 塑性材料在衝擊載荷下為什麼會表現為脆性斷裂？
2）缺口試樣與無缺口試樣的衝擊實驗現象有何不同？哪些材料應採用缺口試樣或有無缺口兩種試樣都行？
3）衝擊韌性值αk為什麼不能用於定量換算，只能用於相對比較？在工程上有何應用？
4) 在實驗中，哪些因素會影響衝擊吸收功的測定結果？
八、注意事項
1）擺錘舉起後，人體各部分都不要伸到重錘下面及擺錘起始處，衝擊實驗時應注意避免試樣碎塊傷人。
2）實驗時操作人員不得在擺錘擺動的空間內和試樣衝擊的方向活動。
3) 在實驗過程中自始至終只能由一人操作。切不可一人負責操縱按鈕，另一人負責安放試樣，因為兩者配合不好，極易傷人。
4) 使用衝擊試驗機時，應注意試樣支座、擺錘及插銷等零件是否緊固，以免由於這些零件鬆動而引起實驗結果不准或發生意外事故。
5）扳手柄時，用力適度，切忌過猛。
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