金属材料冲击试验是评估材料在高速冲击载荷作用下韧性和抗断裂能力的重要力学性能测试，广泛应用于机械制造、航空航天、压力容器、桥梁建设等领域，尤其对低温环境下使用的材料（如低温压力容器用钢）具有关键意义。以下从试验原理、类型、流程、影响因素及标准依据等方面详细说明：

一、试验原理

金属材料冲击试验通过摆锤冲击方式，将具有特定形状的试样（带缺口）置于冲击试验机的砧座上，利用已知能量的摆锤从一定高度自由落下，冲击试样并使其断裂。通过测量摆锤冲击前后的能量差，得到试样吸收的冲击功（单位：J），以此表征材料在冲击载荷下吸收能量的能力 —— 冲击功越大，材料韧性越好，抗断裂能力越强；反之则材料脆性较高，易发生突然断裂。

二、主要试验类型及试样形状

根据试样缺口形状和试验目的，常见的冲击试验类型包括：

试验类型

缺口形状

试样尺寸（典型）

适用场景

夏比 V 型缺口（Charpy V-notch, CVN） V 型缺口（角度 45°，深度 2mm） 10mm×10mm×55mm（标准）5mm×10mm×55mm（小尺寸） 最常用类型，适用于大多数金属材料（如结构钢、低合金钢），尤其适合评估钢材的低温脆性转变。

夏比 U 型缺口（Charpy U-notch, CUN） U 型缺口（半径 1mm 或 2mm） 10mm×10mm×55mm 对缺口敏感性较低的材料，或需要对比不同缺口形式对韧性的影响时使用（如某些有色金属）。

艾氏缺口（Izod） V 型缺口（试样一端固定） 10mm×10mm×75mm 主要用于塑料、非铁金属等，金属材料中应用较少，更侧重评估材料的悬臂梁冲击韧性。

注：当材料厚度不足 10mm 时，可采用小尺寸试样（如 7.5mm、5mm、2.5mm 厚），试验结果需按比例换算或注明尺寸。

三、试验流程

金属材料冲击试验需严格遵循标准操作流程，确保结果准确性：

1. 试样制备

取样位置与方向：根据材料类型和标准（如 GB/T 229），从产品（如钢板、钢管、锻件）的代表性部位取样，通常要求试样纵轴与材料轧制方向垂直（横向试样）或平行（纵向试样），以反映不同方向的力学性能差异。

缺口加工：采用专用机床加工缺口，确保缺口形状、尺寸精度符合标准（如 V 型缺口角度 45°±2°，深度 2.0mm±0.02mm），缺口底部需光滑无毛刺（避免应力集中影响结果）。

试样标记：标注试样编号、取样方向、热处理状态等信息，避免混淆。

2. 试验前准备

设备校准：冲击试验机需定期校准（如每半年一次），包括摆锤能量、砧座间距、冲击速度等参数，确保示值误差不超过 ±1%。

温度控制（如低温试验）：

对于需要模拟低温环境的试验（如低温压力容器用钢需测试 - 40℃、-196℃冲击功），需将试样放入低温介质（如酒精 + 干冰、液氮）中保温足够时间（通常≥30min），确保试样整体温度达到设定值（温差≤±2℃）。

常温试验（23℃±5℃）可直接在室温下进行。

状态调节：若材料需经热处理（如正火、调质），需按规定工艺处理后再取样试验，以反映实际使用状态。

3. 冲击试验操作

将试样准确放置在砧座上，确保缺口位于冲击方向的反侧（即摆锤冲击试样无缺口的一侧，使缺口处产生应力集中并断裂）。

释放摆锤，冲击试样至断裂，记录摆锤消耗的能量（即冲击功，单位 J）。

对每组试样（通常 3 个平行试样）重复试验，取算术平均值作为结果（若单个值与平均值偏差超过 ±15%，需补做试验）。

4. 断口分析（可选）

试验后观察试样断口形貌：韧性断裂的断口呈暗灰色、纤维状，有明显塑性变形；脆性断裂的断口呈亮灰色、结晶状，几乎无塑性变形。

断口分析可辅助判断材料断裂机制（如是否存在解理断裂），尤其在研究低温脆性转变时具有重要参考价值。

5. 结果记录与报告

记录试验温度、试样尺寸、冲击功数值（单个值及平均值）、断口形貌描述等信息。

若试样未完全断裂（如韧性极高的材料），需注明 “未断” 及剩余能量。

四、影响试验结果的关键因素

缺口形状与精度：缺口尺寸偏差（如深度过深、角度偏差）会导致应力集中程度变化，显著影响冲击功数值（缺口越尖锐，冲击功越低）。

试验温度：材料韧性随温度降低而下降，尤其体心立方结构的金属（如低碳钢）存在 “脆性转变温度”—— 当温度低于该值时，材料会从韧性突然变为脆性，冲击功急剧下降。

材料组织：材料的晶粒大小、夹杂物含量、析出相（如碳化物）等会影响韧性，例如细化晶粒可提高冲击功，而夹杂物过多会降低韧性。

试样加工质量：试样表面粗糙度、缺口底部划痕会导致局部应力集中，使冲击功偏低。

设备状态：摆锤磨损、砧座松动会导致能量损失，使测量值偏小。

五、标准依据

金属材料冲击试验需遵循国内外标准，主要包括：

国家标准：GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》（等效采用 ISO 148-1:2016）

行业标准：如 NB/T 47014-2023《承压设备焊接工艺评定》中对焊缝冲击试验的要求；ASTM E23-2021（美国材料与试验协会标准）

国际标准：ISO 148-1:2016《金属材料 夏比摆锤冲击试验 第 1 部分：试验方法》