 一、金属材料的冲击韧性及低温脆性
关于冲击试验及试验设备
（一）冲击韧性
断裂力学在研究材料的脆性破坏、疲劳寿命和应力腐蚀等
方面得到了广泛的应用，按照断裂力学的观点，构件断裂破坏行
为与其存在的缺陷或裂纹状态、构件的应力状态和材料的断裂韧
度密切相关。因此，材料的断裂韧度值一直是结构安全设计、材
料选择、失效分析、缺陷评定和寿命估算的重要依据。军工船级
厚板、工程压力容器、焊接接头、长距离管线钢领域特别要求所
选用的钢品种在高速冲击载荷下应具有足够的强韧性，以适应高
温、高压、高应变率的载荷特点。然而，基于 JIC、KIC、CTOD
等指标所建立起的准静态条件下防断设计准则无法满足材料和结
构在动载作用下的安全性要求。因此，针对以船舰用宽厚板材、
结构钢为代表的金属材料动载作用下的力学性能（动态断裂韧性
JIC、应力 - 应变行为、裂纹扩展曲线等）的试验研究具有十分
重要的意义。
所谓韧性，就是材料在弹性变形、塑性变形和断裂过程中吸
收能量的能力。韧性好的材料在服役条件下不至于突然发生脆性
断裂，从而使安全得到保证。因此，金属材料在使用过程中除要
求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性。
韧性可分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。其中冲击韧性
就是在冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速率。加载速率是指
载荷施加于试样或机件时的速率。由于加载速率提高，形变速率
也随之增加，因此可以用形变速率间接地反映加载速率的变化。
形变速率是单位时间内的变形量，通常用相对形变速率 ( 应变率 )
表示。一般情况下应变率在 10-4 － 10-2s-1，金属力学性能没有
明显变化，可按静载荷处理。当应变率大于 10-2s-1，金属力学性
能将发生显著变化，必须考虑由于应变率增大而带来的力学性能
的变化。应变率对材料的弹性行为及弹性模量无影响，但应变率
对塑性变形、断裂及有关的力学性能却有显著的影响。
为了评定金属材料传递冲击载荷的能力，揭示金属材料在冲
击载荷作用下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验 - 冲
击试验。
（二）低温脆性现象
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合
金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢 ( 铁素体－珠光体钢 )，
在试验温度低于某一温度 tk 时，会由韧性状态变为脆性状态，
冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断
口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度 tk 称
为韧脆转变温度（由于材料化学成份的统计性，韧脆转变温度实
际上不是一个温度而是一个温度区间）。
低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。
低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温下服役的
机件是非常重要的。
1912 年，当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号
(Titanic) 首航沉没于冰海。1995 年美国科学家 R. Gannon 的
试验研究表明：Titanic 号的船板冲击试样是典型的脆性断口。
由于早年的 Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是
在低温呈脆性。所以，当 Titanic 号在冰冷的北大西洋遭受冰山
撞击时，船体撞裂，裂缝并迅速扩展， 3 小时就沉没了，酿成了
20 世纪令人难以忘怀的悲惨海难！
而近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
因此，通过系列低温冲击试验，找到材料的韧脆转变温度，
在材料服役和工程设计时，避开材料的韧脆转变温度，非常重要。
二、夏比冲击试验
评价冲击韧性的试验方法，按其服役工况有简支梁下的冲击
弯曲试验（即夏比冲击试验）、悬臂梁下的冲击弯曲试验（即艾
氏冲击试验）以及冲击拉伸试验。
夏比冲击试验是由法国工程师夏比（Charpy）建立起来的。
夏比冲击试验原理：将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试
样，放在冲击试验机的试样支座上，使之处于简支梁状态，然后
用规定高度的摆锤对试样进行一次性打击，测量试样在这种冲击
下折断时所吸收的功试样的冲击吸收功在试验中用摆锤冲击前后的位能差测定：
Ak=A-Al
虽然试验中测得的冲击吸收功 Ak 值缺乏明确的物理意义，
不能作为表征金属制件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据，但因
其试样加工简单、试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金
缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统
力学性能试验。
夏比冲击试验的主要用途如下：
评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。零部
件截面的急剧变化从广义
上都可视作缺口，缺口造成应力应变集中，使材料的应力状
态变硬，承受冲击能量的能力变差。由于不同材料对缺口的敏感
程度不同，用拉伸试验中测定的强度和塑性指标往往不能评定材
料对缺口是否敏感，因此，设计选材或研制新材料时，往往提出
冲击韧性指标。
检查和控制材料的冶金质量和热加工质量。通过测量冲击吸
收功和对冲击试样进行断
口分析，可揭示材料的夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属
夹杂物超标等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造、焊
接、热处理等热加工缺陷。
评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。用系列冲击试
验可测定材料的韧脆转变
温度，供选材时参考，使材料不在冷脆状态下工作，保证安
全。（而高温冲击试验是用来评定材料在某些温度范围如蓝脆、
重结晶等条件下的韧性特性）。
夏比冲击试验按温度可分为高温、低温和常温冲击试验，按
试样的缺口类型可分为 V 型和 U 型两种冲击试验。
1、冲击试样：
标准的夏比缺口冲击试样根据其缺口类型分为 V 型缺口试
样和 U 型缺口试样（缺口深度分别为 2mm 和 5mm 两种）。
标准夏比冲击试样尺寸为 55mm×10mm×10mm。当试
验材料的厚度在 10mm 以下而无法制备标准试样时，可采用宽
度 7.5mm、5mm 和 2.5mm 等小尺寸试样。缺口应开在试样的
窄面上由于冲击试样的缺口深度、缺口根部曲率半径及缺口角度决
定着缺口附近的应力集中程度，从而影响该试样的冲击吸收功，试
验前应检查这几个尺寸参数。此外，缺口底部表面质量也很重要，
缺口底部应光滑，不应出现与缺口轴线平行的加工痕迹或划痕。
由于冲击试样的缺口质量要求高，加工和测量都比较困难。
为此，济南科汇公司专门开发了专用的冲击试样缺口拉床和冲击试
样缺口投影检查仪。
◆ 主机架：必须结构合理，有足够刚度，确保冲击时没有颤动和
尽量低的能量吸收。
◆ 动力系统：必须运行平稳，没有丢转。
◆ 钳口系统：必须有高的硬度，抗冲击，耐磨，并且加工精度高。
◆ 摆锤系统：各部件尺寸精确，质心准确。摆杆刚度大，冲击时
不抖动。冲击刃硬度高。
◆ 挂脱摆系统：必须挂摆平稳，并能在冲击开始时无任何阻力下
迅速脱摆，使摆锤自由冲击试样。
◆ 电控系统：必须运行可靠，适于长期频繁启停，抗干扰。
◆测量指示记录装置：必须能准确及时记录测试结果， 测试精度高。
◆ 安全装置：必须有安全销和防护罩。安全销防止摆锤意外下落
伤人，防护罩防止人员进入摆锤运行区域和冲断的试样飞出伤人。
◆ 低温制冷系统：做低温冲击试验时，要配备合格的低温制冷系统。
2、试验设备：
夏比式冲击试验机以摆锤
式结构最为常用，有常温、低
温、高温摆锤式冲击试验机。
(1) 试验机基本结构
与要求：
拉床图 投影仪图
冲击吸收功原理图
夏比摆锤式冲击机主机图
必须降温速度快，控温精度高，冷却室温度均匀。
◆ 自动送样定位系统：为确保试样冲击时温度的准确，应尽可能
选择机械自动送样（人工送样时间长，温度变化大，且不易放置
试样对中准确）。送样机构应迅速准确，定位机构应能精确定位。
（2）工作原理：
系统工作原理：将金属冲击试样放在钳口处， 利用具有一
定势能的摆锤自由落下，一次打断试样，由角位移传感器测试出
摆锤的预扬角和冲断试样后的反扬角，从而得到试验机的冲击前
能量和冲断试样后的剩余能量，两者之差就是冲断试样吸收的能
量 -- 该试样的冲击吸收功。
当摆锤从垂直位置升到一定的高度时（预仰角），即具有一
定的势能 A0：
∵ H1=L×（1-cosα）
∴ A0=G×H1=G×L×（1-cosα）= mg×L×（1-cosα）
A0- 摆锤升起高度为 H1 的初始能量（J）
m- 摆锤的质量（kg）
L- 摆锤的旋转轴线到质心的距离（m）
g- 冲击机安装地点的重力加速度（m/s2）
摆锤冲断试样后，扬起的角度为 β，其抬起高度为 H2，剩
余势能为 A1（J）
∵ H2=L×（1-cosβ）
∴ A1=G×H2=mg×L×（1-cosβ）
假如空气阻力等各种能量损失远小于试样被冲断所消耗
能量，损失能量忽咯不计，则试样冲断消耗能量 AK（J）为：
AK=A0-A1=mg×L×（cosβ-cosα）。
在做高、低温试验时除了按标准要求操作外，且要注意送样
设备要与试样一起保温，避免送样设备与试样间的温差过大，从
而改变试样应有的温度。
四、影响冲击试验结果的主要因素
根据上面所述试验机工作和测试原理，试验机摆锤的初始势
能与冲断试样后剩余的能量之差，即试验机冲断一个试样所消耗的能量，等同作为了试样的冲击吸收功。
但实际上，冲击过程消耗的能量没有完全用于试样变形和破
断，其测量指示装置记录的能量消耗数据包括了以下几项：
1、试样被冲断所消耗的能量（冲击试样的真实吸收功）；
2、试样断裂后飞出消耗的能量；
3、试样反弹到摆锤消耗的能量；
4、钳口、锤刃加工精度不高，或者磨损后未修复，造成的
试样吸收能量变化；
5、试样定位不准确带来的能量偏差；
6、打击点不准确带来的能量偏差；
7、主机刚性不足，冲击时弹性变形消耗的能量；
8、冲击时主轴抖动消耗的能量；
9、冲击时摆杆弹性变形、抖动消耗的能量；
10、钳口、锤刃硬度不高，冲击时弹性变形消耗的能量；
11、轴承摩擦消耗的能量；
12、指针摩擦消耗的能量；
13、空气阻力消耗的能量；
14、地基不坚实、安装不牢固致冲击时试验机活动消耗的
能量；
15、测量机构精度不高带来的误差；
16、（自动冲击机）不合格的端部定位装置阻碍试样变形
消耗的能量；
17、试样的温度偏差带来的打击结果偏差。
五、试验机选型与使用注意事项
根据上面分析的影响冲击试验结果的主要因素，为了得到尽
可能准确的冲击试样吸收功，就要选择合适的冲击试验机，并正
确安装和使用。
1、主机刚度：一定要选择机架、摆杆刚度高的试验机；
2、试验机能力范围：试样吸收能量 Ak 不应超过实际初始
势能 A0 的 80%；建议试样吸收能量 Ak 的下限应不低于
试验机最小分辨力的 25 倍；
3、挂脱摆机构必须灵活，冲击时可以迅速无阻碍释放摆锤，
使摆锤自由下落冲击；
4、摆锤刀刃：摆锤刀刃半径的选择应参考相关产品标准。
摆锤刀刃半径有 2mm 和 8mm 两种。
5、钳口、刀刃要用高硬度材料；
6、钳口、刀刃加工精度要高；
7、试验机必须带安全销和安全防护罩；
8、如果需要做低温试验，应尽量选择机械送样定位的自动
冲击试验机；
9、 如果需要精确测试冲击能量，并研究分析冲击断裂过程，
建议选购仪器化冲击试验机；
10、必须制作坚固的试验机安装基础，以正确方法把试验机
与基础紧固在一起；
3. 落锤冲击试验机
普通的冲击弯曲试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力
状态，而且结果分散性大，不能满足一些特殊要求。20 世纪 50
年代初，美国海军研究所派林尼 (W. S. Pellini) 等人提出了落锤
试验方法，用于测定全厚钢板的无塑性转变温度 NDT，以作为
评定材料的性能标准。
11、试验机使用前，必须按 GB/T 3808 或 JJG 145 进行
直接检验和间接检验（用标准试样检验）。
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