材料
裂纹萌生功/J
40Cr
调质态
-90℃
-60℃
-30℃
0℃
室温（20℃）
40.60
32.28
33.98
41.41
50.23
47.69
26.90
33.69
42.09
39.58
根据表六中数据得出如下图：
40Cr试样裂纹萌生功与温度关系曲线
根据40Cr调质态试样的示波冲击试验报告得出试样的裂纹扩展功：
表七40Cr试样裂纹扩展功
54.43
59.80
46.20
71.45
42.84
57.99
41.20
47.60
67.73
45.48
58.38
58.38
58.72
72.21
61.53
根据表五中数据可作出如下曲线图：
20#钢冲击吸收功（总功）和温度的关系曲线
根据40Cr调质态试样的示波冲击试验报告得出试样的萌生功：
表六40Cr试样裂纹萌生功
2.40
20.17
2.48
15.38
1.77
20#钢退火试样的裂纹断裂功与温度关系图
二．40Cr调质态
根据40Cr调质态的缺口冲击韧性试验记录表总结出试样在不同温度下的冲击吸收功（总功）
表五40Cr试样冲击吸收功(总功)
材料
冲击吸收功Ak/J
40Cr
调质态
-90℃
-60℃
-30℃
0℃
室温（20℃）
43.36
表八40Cr试样裂纹断裂功
材料
裂纹断裂功/J
40Cr
调质态
-90℃
-60℃
-30℃
0℃
室温（20℃）
10.05
19.58
5.18
14.68
18.40
9.18
29.04
25.86
26.53
4.59
根据上表，做出40Cr裂纹断裂功与温度的关系曲线：
40Cr调质态裂纹断裂功与温度关系曲线
韧脆转变温度：
20#钢退火：冲击能量为1/2(AKUMAX+AKUMIN)=1/2(7.9175+48.66)=28.29 J时韧脆转变温度为-12.5℃。
实验报告五
姓名
班级
学号
成绩
实验名称
缺口冲击韧性实验
实验目的
1.掌握常温及低温下金属冲击试验方法；
2.学会用能量法确定金属冷脆能变温度tk；
3.了解冲击试验机结构、工作原理及正确使用方法。
实验设备
JBW-300冲击试验机及20#钢试样和40Cr试样、液氮等
实验原理：
冲击试验是根据许多机器零件在工作时受到冲击载荷作用提出来的。冲击载荷是动载荷，它在短时间内产生较大的力，在这种情况下往往对材料的组织缺陷反映更敏感。在冲击试验中，我们认为材料存在截面突变、即缺口，冲击动能在零件内的分布是不均匀的，在缺口处单位体积内将吸取较多的能量，从而使该处的应力、应变值增大。因此，Ak或ak值都是代表材料缺口敏感度。冲击载荷与静拉伸的主要区别在于加载速度不同。拉伸速度一般在10-4~10-2mm/s，而冲击速度为102~104mm/s，静载荷作用于构件，一般不考虑惯性力的影响，而冲击载荷作用下惯性的作用不可忽视。
0℃
20℃
0.31
0.29
0.47
0.32
0.27
2.21
0.73
1.77
0.35
由表三中数据可得出下图：
20#钢退火试样的裂纹扩展功与温度关系图
20#钢退火试样的裂纹断裂功及与温度的关系曲线：
表四20#钢退火态试样裂纹断裂功
材料
裂纹断裂功J
20#钢
-30℃
0℃
20℃
2.40能量为1/2(AKUMAX+AKUMIN)=1/2(43.89+70.46)=57.18 J时韧脆转变温度为-47.5℃。
实验思考题
1.讨论四种功在材料韧-脆转化的过程中的作用。
答：裂纹萌生功主要表征裂纹产生的临界值；裂纹扩展功表示载荷增大到一定程度裂纹长度开始增长的值；裂纹断裂功是表示材料从裂纹扩展到最终断裂所吸收的功；冲击吸收功是评价材料抵抗外力冲击的能力。
材料
裂纹扩展功/J
40Cr
调质态
-90℃
-60℃
-30℃
0℃
室温（20℃）
2.33
1.48
1.22
1.47
1.40
0.35
2.67
0.75
2.16
1.16
根据上表，做出40Cr裂纹扩展功与温度的关系曲线：
40Cr裂纹扩展功与温度的关系曲线
根据40Cr调质态试样的示波冲击试验报告得出试样的裂纹断裂功：
Ec=Gh=GL(1-cosβ)
则冲击试样所消耗的能量，即式样的冲击吸收功为Ak=GL(cosβ- cosa)
按照国标（GB229-84及GB2106-80）规定，冲击试验试样可采用夏比U型缺口和夏比V型缺口两种试样。如下图所示：
夏比V型缺口试样形状和尺寸图
夏比U型缺口试样形状和尺寸
宏观断口示意图：
韧性断口脆性断口
数据记录与处理：
一．20#钢退火态
由缺口冲击韧性实验记录表中数据，总结出如下表：
表一20#钢试样冲击吸收功(总功)
材料
冲击吸收功Ak/J
20#钢
-90℃
-60℃
-30℃
0℃
室温（20℃）
6.45
7.84
9.54
41.04
48.59
9.99
9.33
10.12
42.31
46.28
7.57
本次实验所用的仪器型号及特性：
本次实验所用的是JBW-300冲击试验机，利用能量守恒定律将具有一定形状和尺寸的带有U或V型缺口试样在冲击作用下冲断，以测定其冲击吸收功Ak或冲击韧性值ak。
冲击试验原理图
根据上图，摆锤在A位置时具有的能量为：
EA=GH=GL(1-cosa)
当摆锤下落冲击试样后扬起到C位置时，具有的能量为：
材料
裂纹萌生功J
20#钢
-30℃
0℃
20℃
6.65
38.89
45.81
6.79
38.81
44.00
37.50
30.67
35.47
由表二中数据可得出下图：
20#钢退火试样的裂纹萌生功与温度关系图
20#钢退火试样的裂纹扩展功及与温度的关系曲线：
表三20#钢退火态试样裂纹扩展功
材料
裂纹扩展功J
20#钢
-30℃
2.缺口冲击韧性试验能评定哪些材料的低温脆性？哪些材料不能用此方法检验和评定？这种试验方法本身在防止材料脆性断裂方面有什么局限性？
答：缺口冲击韧性试验评定那些含有缺口的，力学性能表现出一定脆性的材料。主要是评定在低温、高应变速率下材料所受的影响。而那些塑性材料则不能用此方法检验和评定。例如，面心立方材料冲击韧性很高，其力学性能不会因温度的变化而发生太大变化，不会发生低温冷脆现象，因此这类材料不适合用冲击韧性来检验和评定；而一些高强度钢，在室温时的冲击韧性就很低，如果材料内部含有裂纹或表面含有缺口时可在较大的温度范围内，在不同应变速率下都能发生脆性破坏。因此这类材料可以用冲击韧性来评定和检验。在这个实验当中，由于试样对缺口很敏感，材料的冲击韧性只能作为定性研究，无法准确求出一个确定的值。这就是试验方法的局限性。
3.20#钢正火态用夏比U型缺口和夏比V型缺口两种缺口试样得到的冷脆转化温度是否相同？为什么？由此讨论冷脆转化温度的意义和实际应用中应该注意的问题。
答：两种缺口得到的冷脆转化温度不相同。因为材料对缺口很敏感，在缺口的形状及尺寸不同的情况下，缺口处所形成的应力场也不同，从而冷脆转化温度肯定有所差别。冷脆转化温度对材料的使用性能有很大的意义，通过冷脆转化温度我们可以判定材料的脆性从而选择使用材料的物理环境。影响冷脆转化温度的因素很多，比如成分、热处理方法、缺陷及缺口形状和尺寸等等。
6.61
10.18
38.34
50.99
7.66
41.53
48.78
根据上表可作出下图：
20#钢冲击吸收功（总功）和温度的关系曲线
裂纹断裂吸收功（总功）可由裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹断裂功三个部分组成。由20#钢退货试样的示波冲击试验报告得出试样的萌生功，现做表如下：
表二20#钢退火试样的裂纹萌生功