破壞:斷裂、疲勞與潛變
衝擊試驗(impact test)
/ Charpy: SHAR-pee; Izod: EYE-zod /
要如何量測一塊鋼在被突然一擊(不是慢慢擠壓,而是敲擊)時會碎裂還是彎折?就打它一下,看這一擊被吸收了多少能量。衝擊試驗正是如此:一支沉重的擺錘擺盪而下,砸斷一根有缺口的小試棒,機器記錄下折斷它所吸收的能量。吸收很多能量代表韌;吸收很少代表脆。
兩種標準版本是夏比(Charpy)與艾佐(Izod)。常見的夏比 V 形缺口試驗,是把一根有加工缺口的方棒水平放置、兩端支撐,由擺錘從缺口背面撞擊;艾佐則把試棒垂直夾住,撞擊其自由端。擺錘從已知高度落下,能量已知;它擺到另一側所達的高度,就告訴你試片吸收了多少能量,可直接從刻度盤以焦耳讀出。缺口是刻意設的——它製造尖銳的應力集中與促進脆性行為的三軸應力狀態,使這個試驗成為嚴苛且可重複的篩選。
衝擊試驗便宜、快速,是描繪延脆轉換的標準方法:對同一種鋼在多個溫度下試驗,把吸收能量對溫度作圖,找出它轉為脆性之處。它的限制是只給出一個比較性的能量數字,而非設計性質——你無法像用斷裂韌性 K_IC 那樣,把夏比數值直接代入應力計算。它用來排序與篩選材料、釘住轉換溫度;定量設計則交給破壞力學。
一種管線鋼在 20 度 C 的夏比試驗吸收 150 焦耳,在 -40 度 C 卻只吸收 15 焦耳,這是在告訴你它夏天很韌、在北極寒冬卻危險地脆——因此低溫使用時要指定轉換溫度更低的等級。
擺盪的擺錘折斷有缺口的試棒;它所吸收的能量替韌性分級。
夏比能量是比較性的篩選數字,不是可直接用於設計的真正材料性質。兩根名目能量相同的試棒也可能有差異,而且你無法把焦耳直接換算成臨界裂縫尺寸——那需要斷裂韌性試驗。
又稱
另見