示波冲击试验机介绍课件

一、设备主要特点一、设备主要特点 该设备采用世界领先的示波冲击分析技术，通该设备采用世界领先的示波冲击分析技术，通过特有的角度传感器和安装在锤头上的力值传感器，过特有的角度传感器和安装在锤头上的力值传感器，在锤头冲击试样的瞬间高频采样，将整个冲击动态在锤头冲击试样的瞬间高频采样，将整个冲击动态过程记录下来，并计算冲击速度、挠曲度及冲击能过程记录下来，并计算冲击速度、挠曲度及冲击能量，从而得出材料的特征冲击曲线，更深入、细致量，从而得出材料的特征冲击曲线，更深入、细致的分析材料的冲击力学性能以进一步了解材料的特的分析材料的冲击力学性能以进一步了解材料的特性，判断材料的应用范围，因而被广泛的应用在建性，判断材料的应用范围，因而被广泛的应用在建筑、桥梁、船舶、航天、汽车等科研领域。筑、桥梁、船舶、航天、汽车等科研领域。建筑建筑桥梁桥梁舰船舰船航天航天一、设备主要特点建筑桥梁舰船航天1 该设备配有两个摆锤，打击能量分别为该设备配有两个摆锤，打击能量分别为750J（配有示波冲击刃口）和（配有示波冲击刃口）和300J（配有（配有冲击拉伸刃口）。摆锤和冲击刃口都可以更冲击拉伸刃口）。摆锤和冲击刃口都可以更换，以满足不同标准的测试要求。冲击速度换，以满足不同标准的测试要求。冲击速度为为5.42m/s。主机上配有模拟表盘，可以直。主机上配有模拟表盘，可以直接显示打击能量和角度，可无需接显示打击能量和角度，可无需PC，单机，单机独立操作。带全封闭安全保护罩，电子门锁独立操作。带全封闭安全保护罩，电子门锁控制，门未关闭时，摆锤自动锁紧。具有关控制，门未关闭时，摆锤自动锁紧。具有关门启动摆锤释放功能，测试时间门启动摆锤释放功能，测试时间5S。示波冲击试验机介绍课件2图图1 PSW750仪器化冲击试验机仪器化冲击试验机 图1 PSW750仪器化冲击试验机 3二、冲击力二、冲击力位移曲线位移曲线 图图2是典型的冲击力是典型的冲击力位移曲线示意图。此图给位移曲线示意图。此图给出了三组冲击特征值参数：出了三组冲击特征值参数：(1)力特征值：屈服力力特征值：屈服力Fgy、最大力、最大力Fm、裂纹启、裂纹启裂力裂力Fiu、裂纹止裂力、裂纹止裂力Fa。(2)位移特征值：屈服位移位移特征值：屈服位移Sgy、最大力位移、最大力位移Sm、裂纹启裂位移裂纹启裂位移Siu、裂纹止裂位移、裂纹止裂位移Sa、总位移、总位移St。(3)能量特征值：最大力能量能量特征值：最大力能量Wm、裂纹启裂能、裂纹启裂能量量Wiu、裂纹止裂能量、裂纹止裂能量Wa和总能量和总能量Wt、裂纹形成、裂纹形成能量能量Wi（由两部分组成：弹性变形能量（由两部分组成：弹性变形能量We和塑性和塑性变形能量变形能量Wd）、裂纹扩展能量）、裂纹扩展能量Wp（也由两部分组（也由两部分组成：裂纹稳定扩展能量成：裂纹稳定扩展能量Wp1和裂纹不稳定扩展能量和裂纹不稳定扩展能量Wp2）。）。二、冲击力位移曲线4示波冲击试验机介绍课件5三、冲击试验的宏观断口三、冲击试验的宏观断口 在冲击力的作用下，试样的断裂过程与静拉在冲击力的作用下，试样的断裂过程与静拉伸一样，仍然表现为弹性变性、塑性变形和断裂，伸一样，仍然表现为弹性变性、塑性变形和断裂，其不同在于变形速度。由于缺口的存在，塑性变形其不同在于变形速度。由于缺口的存在，塑性变形只发生于缺口的局部范围，而且缺口越尖锐，参与只发生于缺口的局部范围，而且缺口越尖锐，参与塑性变形的材料体积越小，得到的冲击功越低。塑性变形的材料体积越小，得到的冲击功越低。图图3为典型冲击试样断口的宏观形态，一般分为典型冲击试样断口的宏观形态，一般分为为3个区域：个区域：三、冲击试验的宏观断口6 6示波冲击试验机介绍课件71、纤维区、纤维区 曲线上曲线上Fgy之前为弹性阶段，从之前为弹性阶段，从Fgy开始，试样开始，试样进入塑性变形和形变强化阶段。当载荷达到进入塑性变形和形变强化阶段。当载荷达到Fmax时，塑性变形已贯穿整个缺口截面，缺口根部开时，塑性变形已贯穿整个缺口截面，缺口根部开始横向收缩，横截面积减小，试样承载能力降低，始横向收缩，横截面积减小，试样承载能力降低，载荷下降。在载荷下降。在Fmax附近试样内部萌生裂纹，由于附近试样内部萌生裂纹，由于缺口根部为三向应力状态，因此裂纹萌生于距缺缺口根部为三向应力状态，因此裂纹萌生于距缺口一定距离的试样内部。裂纹形成以后，向两侧口一定距离的试样内部。裂纹形成以后，向两侧宽度方向和前方深度方向扩展，在裂纹扩展过程宽度方向和前方深度方向扩展，在裂纹扩展过程中，载荷继续下降，载荷达中，载荷继续下降，载荷达Fiu时，裂纹已扩展到时，裂纹已扩展到缺口根部的整个宽度，中间部分较深，形成缺口缺口根部的整个宽度，中间部分较深，形成缺口前方的脚跟形的纤维区。前方的脚跟形的纤维区。1、纤维区8 82、放射区、放射区 当纤维区的裂纹尺寸增大到临界尺寸，裂纹在当纤维区的裂纹尺寸增大到临界尺寸，裂纹在Fiu点开始快速失稳扩展，形成放射区，其断口形点开始快速失稳扩展，形成放射区，其断口形貌为以纤维区为中心呈放射状，与此对应的载荷貌为以纤维区为中心呈放射状，与此对应的载荷陡降到陡降到Fa。3、剪切唇区、剪切唇区 此时裂纹前沿已进入试样的压应力区，尚未断此时裂纹前沿已进入试样的压应力区，尚未断裂的截面积已比较小，与两侧一样已处在平面应裂的截面积已比较小，与两侧一样已处在平面应力状态下，变形比较自由，形成二次纤维区和剪力状态下，变形比较自由，形成二次纤维区和剪切唇，相应的载荷由切唇，相应的载荷由Fa降到零。其断口特征为表降到零。其断口特征为表面光滑，与拉应力约成面光滑，与拉应力约成45。2、放射区9 9四、冲击力四、冲击力位移曲线与宏观断口的关系位移曲线与宏观断口的关系 裂纹萌生与缺口处一定范围的弹、塑性变形有关。裂纹萌生与缺口处一定范围的弹、塑性变形有关。此前消耗的能量，代表裂纹萌生所消耗的能量，称为此前消耗的能量，代表裂纹萌生所消耗的能量，称为裂纹形成能量，以裂纹形成能量，以Wi表示。裂纹形成能量是缺口处弹表示。裂纹形成能量是缺口处弹性变形和塑性变形消耗能量的总和，即：性变形和塑性变形消耗能量的总和，即：Wi=We+Wd 在失稳之前消耗的能量称为裂纹稳定扩展能量在失稳之前消耗的能量称为裂纹稳定扩展能量Wp1，使断口形成脚跟形的纤维区。力从，使断口形成脚跟形的纤维区。力从Fiu降至降至Fa是是裂纹达到临界尺寸后作快速低能量撕裂的结果，最后裂纹达到临界尺寸后作快速低能量撕裂的结果，最后形成了断口的放射区。裂纹不稳定扩展能量形成了断口的放射区。裂纹不稳定扩展能量Wp2用于用于断口剪切唇及二次纤维区的形成。于是有：断口剪切唇及二次纤维区的形成。于是有：Wp=Wp1+Wp2冲击总功为：冲击总功为：Wt=We+Wd+Wp1+Wp2四、冲击力位移曲线与宏观断口的关系10五、五、PSW750仪器化冲击试验机在国内各钢仪器化冲击试验机在国内各钢 铁公司的应用铁公司的应用1、评价材料韧性的好坏、评价材料韧性的好坏 对不同的金属材料，其冲击吸收功可以相同，对不同的金属材料，其冲击吸收功可以相同，但他们的裂纹形成功和裂纹扩展功却可能相差很大。但他们的裂纹形成功和裂纹扩展功却可能相差很大。若裂纹形成功所占比例很大，则表明材料断裂前塑若裂纹形成功所占比例很大，则表明材料断裂前塑性变形小，裂纹一旦形成就立即扩展直到断裂，裂性变形小，裂纹一旦形成就立即扩展直到断裂，裂纹必然是呈放射状甚至结晶状的脆性断口。反之，纹必然是呈放射状甚至结晶状的脆性断口。反之，若裂纹扩展功所占比例很大，则断口是以呈纤维状若裂纹扩展功所占比例很大，则断口是以呈纤维状为主的韧性断口。由此可见，冲击吸收功的大小并为主的韧性断口。由此可见，冲击吸收功的大小并不能直接反映材料韧或脆的性质，材料韧性的好坏不能直接反映材料韧或脆的性质，材料韧性的好坏主要取决于裂纹扩展功主要取决于裂纹扩展功Wp的大小。的大小。五、PSW750仪器化冲击试验机在国内各钢11112、进行断口行断口纤维率的定量率的定量计算算 在在“GB12778-1991”金属夏比冲金属夏比冲击断口断口测定方定方法中法中给出了冲出了冲击试样断口断口结晶率或晶率或纤维率公式：率公式：式中：式中：Ac断口中晶状区（放射区）的断口中晶状区（放射区）的总面面积 A0原始横截面原始横截面积 CA断口断口结晶率晶率 FA断口断口纤维率率 该种方法完全依赖于试验者主观经验和客观试验条件，该种方法完全依赖于试验者主观经验和客观试验条件，有很大的局限性。有很大的局限性。ISO14556在附录中提供了一套基于特征力在附录中提供了一套基于特征力值估算断口剪切面积比例值值估算断口剪切面积比例值PSF经验算法，在力经验算法，在力位移曲线位移曲线变化过程，当力不发生急剧下降，把此时的断裂表面的剪切变化过程，当力不发生急剧下降，把此时的断裂表面的剪切面积比例值面积比例值PSF定位定位100%；当力发生急剧下降时，则下降值；当力发生急剧下降时，则下降值与力特征值有关，计算公式如下：与力特征值有关，计算公式如下：2、进行断口纤维率的定量计算式中：Ac断口中晶状区（放射区12 肯定用以上三个不同公式计算出的肯定用以上三个不同公式计算出的PSF是不同是不同的，但是，对不同的材料或同一种材料在不同状态的，但是，对不同的材料或同一种材料在不同状态用同一个公式计算的结果是可以进行比较的。虽然用同一个公式计算的结果是可以进行比较的。虽然对以上公式的力学本质至今未明，但已从多个方面对以上公式的力学本质至今未明，但已从多个方面证实了其作为经验公式的合理性。证实了其作为经验公式的合理性。肯定用以上三个不同公式计算出的PSF是不同13 3、测试动态断裂韧性、测试动态断裂韧性Kd和和Jd 3.1必要性必要性 传统的动态韧性试验主要是针对中、低强度传统的动态韧性试验主要是针对中、低强度材料发展起来的，缺口冲击试验和落锤试验都材料发展起来的，缺口冲击试验和落锤试验都是动态韧性试验。是动态韧性试验。缺口冲击试验是目前广泛应用的简易方法。缺口冲击试验是目前广泛应用的简易方法。根据已有的大量实践经验，一般来说，冲击功根据已有的大量实践经验，一般来说，冲击功可作为中、低强度钢生产过程中质量验收的标可作为中、低强度钢生产过程中质量验收的标准。低强度材料的裂纹扩展功占总功的绝大部准。低强度材料的裂纹扩展功占总功的绝大部分，随着强度的提高，此部分比例逐渐下降，分，随着强度的提高，此部分比例逐渐下降，对高强度钢裂纹扩展功可能不足对高强度钢裂纹扩展功可能不足10%。这表明，。这表明，对于中、低强度钢冲击功能反映材料抵抗裂纹对于中、低强度钢冲击功能反映材料抵抗裂纹的扩展能力，但对高强度钢，就难于从冲击功的扩展能力，但对高强度钢，就难于从冲击功来判断材料抵抗裂纹动态扩展的能力。来判断材料抵抗裂纹动态扩展的能力。3、测试动态断裂韧性Kd和Jd14 落锤试验主要用来研究钢中影响脆性断裂开始落锤试验主要用来研究钢中影响脆性断裂开始的因素，通过落锤试验可以获得断口零塑性的转变的因素，通过落锤试验可以获得断口零塑性的转变温度温度NDT，当试验温度高于，当试验温度高于NDT，就不会断裂。，就不会断裂。NDT温度是断裂安全设计中的重要参考数据，但它温度是断裂安全设计中的重要参考数据，但它和工作应力、裂纹尺寸没有定量的关系，故不能直和工作应力、裂纹尺寸没有定量的关系，故不能直接用于安全设计和选材，只有断裂韧性才能正确反接用于安全设计和选材，只有断裂韧性才能正确反映裂纹体的力学行为。映裂纹体的力学行为。基于轴向拉伸试验、预制裂纹试样平面应变条基于轴向拉伸试验、预制裂纹试样平面应变条件件KC和和JC试验，材料在准静态加载条件下的强试验，材料在准静态加载条件下的强塑性能与断裂韧性性能可以得到定量解析化的表征，塑性能与断裂韧性性能可以得到定量解析化的表征，并在材料研发、结构整体性评价、安全容器设计方并在材料研发、结构整体性评价、安全容器设计方面得到了广泛的应用。面得到了广泛的应用。落锤试验主要用来研究钢中影响脆性断裂开始的15 但在工程实际中，我们经常会遇到一些带有裂纹但在工程实际中，我们经常会遇到一些带有裂纹的结构或者构件承受冲击载荷的作用。在载荷速率比的结构或者构件承受冲击载荷的作用。在载荷速率比较小的情况下，惯性载荷可以忽略，问题可以近似为较小的情况下，惯性载荷可以忽略，问题可以近似为一个准静态问题。但当载荷速率比较大时，惯性载荷一个准静态问题。但当载荷速率比较大时，惯性载荷不能忽略，要分析构件内的应力状态，就必须进行完不能忽略，要分析构件内的应力状态，就必须进行完全的动态分析。全的动态分析。随着近十几年来静态加载断裂韧性试验技术的随着近十几年来静态加载断裂韧性试验技术的飞速发展，人们对于动态加载方式下准确评价材料断飞速发展，人们对于动态加载方式下准确评价材料断裂韧性的需求正在持续增加，几乎所有工程应用所涉裂韧性的需求正在持续增加，几乎所有工程应用所涉及的环境温度都处于待选材料韧性上平台区或韧脆转及的环境温度都处于待选材料韧性上平台区或韧脆转变温度区间，因而基于弹塑性断裂力学理论提出的力变温度区间，因而基于弹塑性断裂力学理论提出的力值分析方法（值分析方法（Force Based Analysis，FBA）可作）可作为单试样动态断裂性能评价方法的重要补充，用以表为单试样动态断裂性能评价方法的重要补充，用以表征材料动态加载的强度与韧性性能。征材料动态加载的强度与韧性性能。但在工程实际中，我们经常会遇到一些带有裂纹163.2 屈服力和流变屈服应力屈服力和流变屈服应力 动态屈服强度动态屈服强度 yd计算公式如下计算公式如下式中：式中：B试样厚度，试样厚度，mm W试样宽度，试样宽度，mm S试样跨距，试样跨距，mm ao裂纹原始长度，裂纹原始长度，mm K 试样几何尺寸系数试样几何尺寸系数试样见图试样见图43.2 屈服力和流变屈服应力式中：B试样厚度，mm17示波冲击试验机介绍课件183.3 动态断裂韧性动态断裂韧性 JC和和Kd 大量结构钢试样动态加载条件均为其韧性大量结构钢试样动态加载条件均为其韧性上平台或韧脆转变温区，因此相应的夏比冲击上平台或韧脆转变温区，因此相应的夏比冲击断裂模式为延性断裂，类似于断裂模式为延性断裂，类似于JC评测而采用评测而采用J积分来表述其断裂韧性。积分来表述其断裂韧性。标准标准V缺口冲击试样对应的动态断裂韧性缺口冲击试样对应的动态断裂韧性Jd公式为：公式为：式中：式中：k试样几何尺寸常数试样几何尺寸常数 Ei启裂点对应的冲击吸收功启裂点对应的冲击吸收功 3.3 动态断裂韧性 JC和Kd 式中：k试19 而对应预制裂纹并处于脆性平台区间的冲击而对应预制裂纹并处于脆性平台区间的冲击试样来说，其动态断裂韧性应采用线弹性断裂应试样来说，其动态断裂韧性应采用线弹性断裂应力强度因子力强度因子Kd来表述，其公式为：来表述，其公式为：式中：式中：Pi启裂点对应的力值，启裂点对应的力值，N f(a/w)试样几何尺寸修正函数试样几何尺寸修正函数试样同测试动态屈服强度试样同测试动态屈服强度 yd试样。试样。而对应预制裂纹并处于脆性平台区间的冲击试样来说203.4 冲击拉伸试验冲击拉伸试验 普通圆拉力试样静态拉伸速度普通圆拉力试样静态拉伸速度30mm/min约约10-2/s,冲冲击拉伸速度击拉伸速度5.23m/s约约102/s。经验表明，应变速率在。经验表明，应变速率在10-410-1/S的范围内，金属材料的力学性能没有明显变化，的范围内，金属材料的力学性能没有明显变化，可按静载处理。但当应变速率更高时，就要考虑它对力学可按静载处理。但当应变速率更高时，就要考虑它对力学性能的影响。图性能的影响。图4是光滑试样冲击拉伸与静拉伸试验的示是光滑试样冲击拉伸与静拉伸试验的示意拉伸图。由图可见，塑性抗力总是随应变速率增大而增意拉伸图。由图可见，塑性抗力总是随应变速率增大而增大的，其中尤以屈服应力上升最为显著。对一般塑性材料，大的，其中尤以屈服应力上升最为显著。对一般塑性材料，断裂抗力与变形速率增大关系不大，但塑性及韧性下降，断裂抗力与变形速率增大关系不大，但塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加；对高塑性材料，变形速率增大显即脆性断裂的倾向增加；对高塑性材料，变形速率增大显著提高断裂抗力，而塑性及韧性变化不大，有时甚至有所著提高断裂抗力，而塑性及韧性变化不大，有时甚至有所增加，并保持切断的断裂方式不变。增加，并保持切断的断裂方式不变。3.4 冲击拉伸试验21示波冲击试验机介绍课件22示波冲击试验机介绍课件233.5实例分析实例分析 两类熔敷金属材料，在两类熔敷金属材料，在-20实施夏比冲击实施夏比冲击试验。发现其具有相同的冲击吸收功试验。发现其具有相同的冲击吸收功Et而纤维而纤维断面率断面率FA相差较大。相差较大。采用仪器化冲击记录冲击力采用仪器化冲击记录冲击力-位移曲线，并位移曲线，并借助借助FBA方法表征其动态断裂性能。方法表征其动态断裂性能。3.5实例分析24数据列表，数据列表，Et相同，相同，FA不同，断裂行为？不同，断裂行为？韧性韧性:BA?:BA?动态屈服应力动态屈服应力失稳断裂韧性失稳断裂韧性数据列表，Et相同，FA不同，断裂行为？韧性:BA?动25冲击冲击单轴向单轴向1.较高的屈强比导致更易形成非稳态流变应力场，较高的屈强比导致更易形成非稳态流变应力场，如吕得斯效应等，减弱了材料抗冲击加载的止裂性如吕得斯效应等，减弱了材料抗冲击加载的止裂性能。能。2.通过屈服力估算动态屈服强度，参与后续韧性参通过屈服力估算动态屈服强度，参与后续韧性参数的评测。数的评测。冲击单轴向1.较高的屈强比导致更易形成非稳态流变应力场，如26J/yd数值越小，因动态加载诱发的平数值越小，因动态加载诱发的平面应变条件失稳断裂的情况越易发生，面应变条件失稳断裂的情况越易发生，材料抑制裂纹扩展的韧性性能越差。材料抑制裂纹扩展的韧性性能越差。处于韧脆转变区间，延性断裂处于韧脆转变区间，延性断裂J/yd数值越小，因动态加载诱发的平面应变条件失稳断裂的情27谢谢！28