 一、金屬材料的沖擊韌性及低溫脆性
關于沖擊試驗及試驗設備
（一）沖擊韌性
斷裂力學在研究材料的脆性破壞、疲勞壽命和應力腐蝕等
方面得到了廣泛的應用，按照斷裂力學的觀點，構件斷裂破壞行
為與其存在的缺陷或裂紋狀態、構件的應力狀態和材料的斷裂韌
度密切相關。因此，材料的斷裂韌度值一直是結構安全設計、材
料選擇、失效分析、缺陷評定和壽命估算的重要依據。軍工船級
厚板、工程壓力容器、焊接接頭、長距離管線鋼領域特別要求所
選用的鋼品種在高速沖擊載荷下應具有足夠的強韌性，以適應高
溫、高壓、高應變率的載荷特點。然而，基于 JIC、KIC、CTOD
等指標所建立起的準靜態條件下防斷設計準則無法滿足材料和結
構在動載作用下的安全性要求。因此，針對以船艦用寬厚板材、
結構鋼為代表的金屬材料動載作用下的力學性能（動態斷裂韌性
JIC、應力 - 應變行為、裂紋擴展曲線等）的試驗研究具有十分
重要的意義。
所謂韌性，就是材料在彈性變形、塑性變形和斷裂過程中吸
收能量的能力。韌性好的材料在服役條件下不至于突然發生脆性
斷裂，從而使安全得到保證。因此，金屬材料在使用過程中除要
求有足夠的強度和塑性外，還要求有足夠的韌性。
韌性可分為靜力韌性、沖擊韌性和斷裂韌性。其中沖擊韌性
就是在沖擊載荷下材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。
沖擊載荷與靜載荷的主要區別在于加載速率。加載速率是指
載荷施加于試樣或機件時的速率。由于加載速率提高，形變速率
也隨之增加，因此可以用形變速率間接地反映加載速率的變化。
形變速率是單位時間內的變形量，通常用相對形變速率 ( 應變率 )
表示。一般情況下應變率在 10-4 － 10-2s-1，金屬力學性能沒有
明顯變化，可按靜載荷處理。當應變率大于 10-2s-1，金屬力學性
能將發生顯著變化，必須考慮由于應變率增大而帶來的力學性能
的變化。應變率對材料的彈性行為及彈性模量無影響，但應變率
對塑性變形、斷裂及有關的力學性能卻有顯著的影響。
為了評定金屬材料傳遞沖擊載荷的能力，揭示金屬材料在沖
擊載荷作用下的力學行為，就需要進行相應的力學性能試驗 - 沖
擊試驗。
（二）低溫脆性現象
體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合
金，特別是工程上常用的中、低強度結構鋼 ( 鐵素體－珠光體鋼 )，
在試驗溫度低于某一溫度 tk 時，會由韌性狀態變為脆性狀態，
沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理，斷
口特征由纖維狀變為結晶狀，這就是低溫脆性。轉變溫度 tk 稱
為韌脆轉變溫度（由于材料化學成份的統計性，韌脆轉變溫度實
際上不是一個溫度而是一個溫度區間）。
低溫脆性是材料屈服強度隨著溫度的降低急劇增加的結果。
低溫脆性對壓力容器、橋梁和船舶結構以及在低溫下服役的
機件是非常重要的。
1912 年，當年最為豪華、號稱永不沉沒的泰坦尼克號
(Titanic) 首航沉沒于冰海。1995 年美國科學家 R. Gannon 的
試驗研究表明：Titanic 號的船板沖擊試樣是典型的脆性斷口。
由于早年的 Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是
在低溫呈脆性。所以，當 Titanic 號在冰冷的北大西洋遭受冰山
撞擊時，船體撞裂，裂縫并迅速擴展， 3 小時就沉沒了，釀成了
20 世紀令人難以忘懷的悲慘海難！
而近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。
因此，通過系列低溫沖擊試驗，找到材料的韌脆轉變溫度，
在材料服役和工程設計時，避開材料的韌脆轉變溫度，非常重要。
二、夏比沖擊試驗
評價沖擊韌性的試驗方法，按其服役工況有簡支梁下的沖擊
彎曲試驗（即夏比沖擊試驗）、懸臂梁下的沖擊彎曲試驗（即艾
氏沖擊試驗）以及沖擊拉伸試驗。
夏比沖擊試驗是由法國工程師夏比（Charpy）建立起來的。
夏比沖擊試驗原理：將具有規定形狀、尺寸和缺口類型的試
樣，放在沖擊試驗機的試樣支座上，使之處于簡支梁狀態，然后
用規定高度的擺錘對試樣進行一次性打擊，測量試樣在這種沖擊
下折斷時所吸收的功試樣的沖擊吸收功在試驗中用擺錘沖擊前后的位能差測定：
Ak=A-Al
雖然試驗中測得的沖擊吸收功 Ak 值缺乏明確的物理意義，
不能作為表征金屬制件實際抵抗沖擊載荷能力的韌性判據，但因
其試樣加工簡單、試驗時間短，試驗數據對材料組織結構、冶金
缺陷等敏感而成為評價金屬材料沖擊韌性應用最廣泛的一種傳統
力學性能試驗。
夏比沖擊試驗的主要用途如下：
評價材料對大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。零部
件截面的急劇變化從廣義
上都可視作缺口，缺口造成應力應變集中，使材料的應力狀
態變硬，承受沖擊能量的能力變差。由于不同材料對缺口的敏感
程度不同，用拉伸試驗中測定的強度和塑性指標往往不能評定材
料對缺口是否敏感，因此，設計選材或研制新材料時，往往提出
沖擊韌性指標。
檢查和控制材料的冶金質量和熱加工質量。通過測量沖擊吸
收功和對沖擊試樣進行斷
口分析，可揭示材料的夾渣、偏析、白點、裂紋以及非金屬
夾雜物超標等冶金缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等鍛造、焊
接、熱處理等熱加工缺陷。
評定材料在高、低溫條件下的韌脆轉變特性。用系列沖擊試
驗可測定材料的韌脆轉變
溫度，供選材時參考，使材料不在冷脆狀態下工作，保證安
全。（而高溫沖擊試驗是用來評定材料在某些溫度范圍如藍脆、
重結晶等條件下的韌性特性）。
夏比沖擊試驗按溫度可分為高溫、低溫和常溫沖擊試驗，按
試樣的缺口類型可分為 V 型和 U 型兩種沖擊試驗。
1、沖擊試樣：
標準的夏比缺口沖擊試樣根據其缺口類型分為 V 型缺口試
樣和 U 型缺口試樣（缺口深度分別為 2mm 和 5mm 兩種）。
標準夏比沖擊試樣尺寸為 55mm×10mm×10mm。當試
驗材料的厚度在 10mm 以下而無法制備標準試樣時，可采用寬
度 7.5mm、5mm 和 2.5mm 等小尺寸試樣。缺口應開在試樣的
窄面上由于沖擊試樣的缺口深度、缺口根部曲率半徑及缺口角度決
定著缺口附近的應力集中程度，從而影響該試樣的沖擊吸收功，試
驗前應檢查這幾個尺寸參數。此外，缺口底部表面質量也很重要，
缺口底部應光滑，不應出現與缺口軸線平行的加工痕跡或劃痕。
由于沖擊試樣的缺口質量要求高，加工和測量都比較困難。
為此，濟南科匯公司專門開發了專用的沖擊試樣缺口拉床和沖擊試
樣缺口投影檢查儀。
◆ 主機架：必須結構合理，有足夠剛度，確保沖擊時沒有顫動和
盡量低的能量吸收。
◆ 動力系統：必須運行平穩，沒有丟轉。
◆ 鉗口系統：必須有高的硬度，抗沖擊，耐磨，并且加工精度高。
◆ 擺錘系統：各部件尺寸精確，質心準確。擺桿剛度大，沖擊時
不抖動。沖擊刃硬度高。
◆ 掛脫擺系統：必須掛擺平穩，并能在沖擊開始時無任何阻力下
迅速脫擺，使擺錘自由沖擊試樣。
◆ 電控系統：必須運行可靠，適于長期頻繁啟停，抗干擾。
◆測量指示記錄裝置：必須能準確及時記錄測試結果， 測試精度高。
◆ 安全裝置：必須有安全銷和防護罩。安全銷防止擺錘意外下落
傷人，防護罩防止人員進入擺錘運行區域和沖斷的試樣飛出傷人。
◆ 低溫制冷系統：做低溫沖擊試驗時，要配備合格的低溫制冷系統。
2、試驗設備：
夏比式沖擊試驗機以擺錘
式結構最為常用，有常溫、低
溫、高溫擺錘式沖擊試驗機。
(1) 試驗機基本結構
與要求：
拉床圖 投影儀圖
沖擊吸收功原理圖
夏比擺錘式沖擊機主機圖
必須降溫速度快，控溫精度高，冷卻室溫度均勻。
◆ 自動送樣定位系統：為確保試樣沖擊時溫度的準確，應盡可能
選擇機械自動送樣（人工送樣時間長，溫度變化大，且不易放置
試樣對中準確）。送樣機構應迅速準確，定位機構應能精確定位。
（2）工作原理：
系統工作原理：將金屬沖擊試樣放在鉗口處， 利用具有一
定勢能的擺錘自由落下，一次打斷試樣，由角位移傳感器測試出
擺錘的預揚角和沖斷試樣后的反揚角，從而得到試驗機的沖擊前
能量和沖斷試樣后的剩余能量，兩者之差就是沖斷試樣吸收的能
量 -- 該試樣的沖擊吸收功。
當擺錘從垂直位置升到一定的高度時（預仰角），即具有一
定的勢能 A0：
∵ H1=L×（1-cosα）
∴ A0=G×H1=G×L×（1-cosα）= mg×L×（1-cosα）
A0- 擺錘升起高度為 H1 的初始能量（J）
m- 擺錘的質量（kg）
L- 擺錘的旋轉軸線到質心的距離（m）
g- 沖擊機安裝地點的重力加速度（m/s2）
擺錘沖斷試樣后，揚起的角度為 β，其抬起高度為 H2，剩
余勢能為 A1（J）
∵ H2=L×（1-cosβ）
∴ A1=G×H2=mg×L×（1-cosβ）
假如空氣阻力等各種能量損失遠小于試樣被沖斷所消耗
能量，損失能量忽咯不計，則試樣沖斷消耗能量 AK（J）為：
AK=A0-A1=mg×L×（cosβ-cosα）。
在做高、低溫試驗時除了按標準要求操作外，且要注意送樣
設備要與試樣一起保溫，避免送樣設備與試樣間的溫差過大，從
而改變試樣應有的溫度。
四、影響沖擊試驗結果的主要因素
根據上面所述試驗機工作和測試原理，試驗機擺錘的初始勢
能與沖斷試樣后剩余的能量之差，即試驗機沖斷一個試樣所消耗的能量，等同作為了試樣的沖擊吸收功。
但實際上，沖擊過程消耗的能量沒有完全用于試樣變形和破
斷，其測量指示裝置記錄的能量消耗數據包括了以下幾項：
1、試樣被沖斷所消耗的能量（沖擊試樣的真實吸收功）；
2、試樣斷裂后飛出消耗的能量；
3、試樣反彈到擺錘消耗的能量；
4、鉗口、錘刃加工精度不高，或者磨損后未修復，造成的
試樣吸收能量變化；
5、試樣定位不準確帶來的能量偏差；
6、打擊點不準確帶來的能量偏差；
7、主機剛性不足，沖擊時彈性變形消耗的能量；
8、沖擊時主軸抖動消耗的能量；
9、沖擊時擺桿彈性變形、抖動消耗的能量；
10、鉗口、錘刃硬度不高，沖擊時彈性變形消耗的能量；
11、軸承摩擦消耗的能量；
12、指針摩擦消耗的能量；
13、空氣阻力消耗的能量；
14、地基不堅實、安裝不牢固致沖擊時試驗機活動消耗的
能量；
15、測量機構精度不高帶來的誤差；
16、（自動沖擊機）不合格的端部定位裝置阻礙試樣變形
消耗的能量；
17、試樣的溫度偏差帶來的打擊結果偏差。
五、試驗機選型與使用注意事項
根據上面分析的影響沖擊試驗結果的主要因素，為了得到盡
可能準確的沖擊試樣吸收功，就要選擇合適的沖擊試驗機，并正
確安裝和使用。
1、主機剛度：一定要選擇機架、擺桿剛度高的試驗機；
2、試驗機能力范圍：試樣吸收能量 Ak 不應超過實際初始
勢能 A0 的 80%；建議試樣吸收能量 Ak 的下限應不低于
試驗機最小分辨力的 25 倍；
3、掛脫擺機構必須靈活，沖擊時可以迅速無阻礙釋放擺錘，
使擺錘自由下落沖擊；
4、擺錘刀刃：擺錘刀刃半徑的選擇應參考相關產品標準。
擺錘刀刃半徑有 2mm 和 8mm 兩種。
5、鉗口、刀刃要用高硬度材料；
6、鉗口、刀刃加工精度要高；
7、試驗機必須帶安全銷和安全防護罩；
8、如果需要做低溫試驗，應盡量選擇機械送樣定位的自動
沖擊試驗機；
9、 如果需要精確測試沖擊能量，并研究分析沖擊斷裂過程，
建議選購儀器化沖擊試驗機；
10、必須制作堅固的試驗機安裝基礎，以正確方法把試驗機
與基礎緊固在一起；
3. 落錘沖擊試驗機
普通的沖擊彎曲試樣尺寸過小，不能反映實際構件中的應力
狀態，而且結果分散性大，不能滿足一些特殊要求。20 世紀 50
年代初，美國海軍研究所派林尼 (W. S. Pellini) 等人提出了落錘
試驗方法，用于測定全厚鋼板的無塑性轉變溫度 NDT，以作為
評定材料的性能標準。
11、試驗機使用前，必須按 GB/T 3808 或 JJG 145 進行
直接檢驗和間接檢驗（用標準試樣檢驗）。
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