金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用研究

李衛(wèi)軍+李慶+魏磊

摘要：本文主要針對日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)、美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)和中國的GB標(biāo)準(zhǔn)中的沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行比較，列舉了它們之間的差異。并結(jié)合國標(biāo)GB/T229沖擊試驗(yàn)方法對40CrNiMoA和TC4等兩種材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：依據(jù)國標(biāo)GB/T229的方法確定了40CrNiMoA韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-20℃；而鈦合金TC4所得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在著波動，主要和試樣的尺寸差異以及表面光潔度有關(guān)，其試驗(yàn)結(jié)果都符合生產(chǎn)用要求。

Abstract： This paper mainly compares the impact test methods of the Japanese JIS standard， the American ASTM standard and the Chinese GB standard， and lists the differences between them. Combined with GB/T229 impact test methods， two kinds of materials， 40CrNiMoA and TC4 were studied. The results show that the ductile-brittle transition temperature of 40CrNiMoA is -20℃ according to GB/T229 method. However， the experimental data of titanium alloy TC4 are fluctuating， which are mainly related to the size difference of the sample and the surface finish. The test results all meet the production requirements.

關(guān)鍵詞：夏比沖擊試驗(yàn)；試驗(yàn)方法；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

Key words： Charpy impact test；test methods；test standard

中圖分類號：TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0121-04

0 引言

夏比（Charpy）沖擊試驗(yàn)是評價(jià)沖擊載荷下材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力的試驗(yàn)方法。它是一種傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)方法，用于評價(jià)金屬材料沖擊韌性，其特點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)間短，試樣加工簡便，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對冶金缺陷、材料組織結(jié)構(gòu)等敏感，具有廣泛的應(yīng)用空間。該方法在材料生產(chǎn)、加工工藝及機(jī)器零部件的檢驗(yàn)上積累了許多經(jīng)驗(yàn)，并將其成功地應(yīng)用在以下方面[1]：①檢驗(yàn)材料質(zhì)量；②提供判斷依據(jù)；③評定材料缺口敏感性和時(shí)效敏感性；④建立經(jīng)驗(yàn)公式。

1 夏比沖擊試驗(yàn)概述

1.1 夏比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)成

關(guān)于夏比沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)國家之間存在一定差異，本文重點(diǎn)分析了美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)、日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)和中國的GB，其基本構(gòu)成簡述如下：

美國的鋼產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分包括ASTM E23-06、ASTM A673/673M-07和ASTM A370-07[4-6]。其中E23-06包括沖擊試驗(yàn)機(jī)的檢定規(guī)程、沖擊試驗(yàn)方法；A370-07的沖擊試驗(yàn)部分包括沖擊試樣的部分取樣位置要求、沖擊試驗(yàn)機(jī)的檢定要求和鋼產(chǎn)品的沖擊試驗(yàn)方法；而A673/673M-07規(guī)定鋼產(chǎn)品的沖擊試樣取樣位置要求和試驗(yàn)頻率。通常ASTM標(biāo)準(zhǔn)均有公制單位版本和英制單位版本，標(biāo)準(zhǔn)號后的M表示公制單位版本。

日本的鋼產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分包括JIS B 7722和JIS Z2242-2005，分別規(guī)定了日本的試驗(yàn)方法和鋼產(chǎn)品沖擊取樣[2，3]。

中國的鋼產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)組成部分包括GB/ T2975-1998、GB/T229-2007和JJ G145-2007。其中，GB/ T2975-1998規(guī)定了沖擊試樣的取樣位置[8]，GB/T229-2007是沖擊試驗(yàn)方法[7]，JJ G145-2007是沖擊試驗(yàn)機(jī)的檢定規(guī)程。在中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB5144-96中對于航空用金屬材料的夏比沖擊試驗(yàn)也做了相應(yīng)的行業(yè)規(guī)定，其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是由GB3808、GB8170和JJG 145組成。

1.2 夏比沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的主要差異

1.2.1 沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘

擺錘是夏比（Charpy）沖擊試驗(yàn)中最重要的試驗(yàn)元件構(gòu)成之一。擺錘曲率半徑的不同，對于同一材料的沖擊吸收能量Ak值會有影響。圖1是擺錘曲率半徑分別為2mm和8mm刀刃示意圖[9]。圖中，12D為8mm沖擊刃寬度，（4±0.05）mm；12C為8mm沖擊刃肩角部曲率半徑，（0.1～1）mm；12B為8mm沖擊刃曲率半徑，（8±0.05）mm；12A為2mm沖擊刃曲率半徑，（2～2.5）mm；a為沖擊刀刃角，30°±1°。雖然國標(biāo)GB和日本JIS系標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可以使用上述兩種擺錘，一般情況下，ASTM的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)只允許使用曲率半徑為8mm的擺錘；沖擊試驗(yàn)規(guī)定使用曲率半徑為2mm的擺錘。通常使用2mm曲率半徑得到的沖擊吸收功要低于使用8mm曲率半徑的擺錘。

1.2.2 沖擊試驗(yàn)機(jī)能力范圍

國標(biāo)GB/T229-2007對于沖擊試驗(yàn)機(jī)能力的下限做出規(guī)定，建議應(yīng)不低于試驗(yàn)機(jī)最小分辨力的25倍[7]，而ASTM E23-06規(guī)定為試驗(yàn)機(jī)在15J時(shí)分辨力的25倍。對于沖擊試驗(yàn)機(jī)的能力的上限，美標(biāo)ASTM E23-06和日本的JIS系標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定為試驗(yàn)機(jī)擺錘能量的80%。一旦沖擊吸收功超過其能力范圍（即擺錘能量的80%），其擺錘速度會受到很大的不利影響，無法獲取準(zhǔn)確的沖擊吸收功[4]。

1.2.3 試樣加熱/冷卻裝置endprint

日本JIS系標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：使用液體介質(zhì)加熱或者冷卻試樣時(shí)，試樣應(yīng)放置于一容器中的網(wǎng)柵上，網(wǎng)柵至少高于底部25mm，液體浸過試樣的高度至少25mm，試樣距容器側(cè)壁至少10mm。應(yīng)連續(xù)均勻攪拌介質(zhì)以使溫度均勻。測定介質(zhì)溫度的儀器應(yīng)當(dāng)置于一組試樣中間處。介質(zhì)溫度應(yīng)在規(guī)定溫度±1℃以內(nèi)，保持至少5min。對于不超過200℃的高溫試驗(yàn)測試，試樣應(yīng)該浸沒在恒溫液體介質(zhì)中至少10min，保持確定的溫度在±2℃以內(nèi)。對于使用氣體介質(zhì)，JIS Z2242-2005規(guī)定試樣距離容器內(nèi)壁至少50mm，試樣之間距離至少10mm，但GB/T229-2007對此沒有特殊規(guī)定。

美國ASTM E23-06規(guī)定：使用液體介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)溫度應(yīng)在規(guī)定溫度±1℃以內(nèi)，試樣距離容器底部或側(cè)壁大于25mm，介質(zhì)浸過試樣的高度至少25mm；保持至少5min。使用氣體介質(zhì)，介質(zhì)溫度應(yīng)在規(guī)定溫度±1℃以內(nèi)，保持至少30min。

1.2.4 沖擊試樣的尺寸和表面粗糙度

表1和表2列舉出了國標(biāo)GB/T229-2007、美標(biāo)ASTM E23-06和日本JIS Z2242的試樣的尺寸和偏差。分析表1和表2可知，就允許偏差來說，在ISO系標(biāo)準(zhǔn)中，GB/T229-2007的要求低于JIS Z2242-2005。對于試樣尺寸的允許偏差，ASTM E23-06大部分規(guī)定都和ISO系標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)或更嚴(yán)格，只有一個(gè)試樣長度規(guī)定較為寬松。對于缺口深度的公差范圍，ISO系標(biāo)準(zhǔn)通過分別規(guī)定試樣高度和缺口底部高度的公差范圍來確定，但ASTM E23-06是直接規(guī)定。

而對于試樣的表面粗糙度來說，ISO系標(biāo)準(zhǔn)的GB/ T229-2007和JIS Z2242-2005的規(guī)定分別是：除端面以外的4個(gè)面分別優(yōu)于5μm和3.2μm；而ASTM E23206的規(guī)定是：開缺口面及與其相對面優(yōu)于2μm，除端面外的其余兩個(gè)面優(yōu)于4μm。

但是作為航標(biāo)HB5144-96來說相應(yīng)的試樣尺寸也有差異，如表3所示。其中缺口底部最大最小厚度差不應(yīng)該超過0.05mm。對于超高強(qiáng)度鋼，缺口表面粗糙度Ra值的最大允許值為0.32μm。

1.2.5 試驗(yàn)溫度

ASTM E23-06和ISO系標(biāo)準(zhǔn)在適用溫度范圍方面存在一定區(qū)別，ASTM E23-06適用于的沖擊試驗(yàn)要求溫度超過或等于-196℃；而GB/T229-2007適用于的沖擊試驗(yàn)要求溫度在-192～1000℃之間。在常溫沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度范圍方面，兩者的規(guī)定也略有不同，ASTM E23-06是20 ±5℃，而ISO系標(biāo)準(zhǔn)是23±5℃。在低溫沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度允許偏差方面，ASTM E23-06是±1℃，而ISO系標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定溫度的±2℃。但兩者在一些方面也存在相同的部分，比如對于不在常溫進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)，兩者都要求試樣在移出加熱/冷卻裝置的5s內(nèi)完成，且要求同時(shí)加熱/冷卻試樣和試樣夾持裝置。

2 應(yīng)用研究

2.1 調(diào)制鋼40CrNiMoA的典型斷口分析

調(diào)質(zhì)鋼40CrNiMoA是用于航空發(fā)動機(jī)軸的材料。作為高強(qiáng)度零件材料，在小于500℃工作溫度下，可以作為噴氣發(fā)動機(jī)承力零件。將熱處理后的材料制成夏比沖擊試樣，其典型的斷口形貌如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的下降，試樣斷口形貌中韌性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。即斷裂面中韌性斷裂面積和脆性斷裂面積的百分比在逐漸改變。通過計(jì)算韌脆斷裂面積百分比可以確定該試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。本試驗(yàn)中得出40CrNiMoA的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-20℃。以圖2中B圖為例，可以看出標(biāo)有a部分為放射區(qū)，標(biāo)有b部分為剪切唇，標(biāo)有c部分為缺口纖維組織，其具體放大圖片如圖3所示。

圖3中a為放射區(qū)的形貌，主要是韌窩和解理斷裂面；b為剪切唇放大形貌，c為缺口處的纖維斷口形貌。

2.2 TC4夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

TC4為（α+β）型鈦合金，在航空航天和非航空航天工業(yè)中均獲得廣泛應(yīng)用，可用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤和葉片、火箭發(fā)動機(jī)的外殼及冷卻噴管。飛行器用特種壓力容器和工作在400℃以下的零部件以及化工用泵、船舶部件、蒸汽輪機(jī)等。

根據(jù)國標(biāo)GB/T229沖擊試驗(yàn)方法，在室溫下對退火態(tài)的鈦合金TC4進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)所得的沖擊吸收功Ak值滿足生產(chǎn)所需技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Q/S10-0705-04的要求（沖擊功大于等于32J）。如圖4所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢。

從圖4所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢變化可以看出，TC4沖擊試驗(yàn)值基本上是大于或等于32J的，則認(rèn)為其在沖擊這方面的力學(xué)性能是合格，但是，能否作為合格的材料使用還需要進(jìn)行其它的力學(xué)性能試驗(yàn)測試才可以知曉。圖中的深色直線為本次試驗(yàn)中的趨勢線性方程。在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)卻存在著波動。在材料成分，爐批批次相同的情況下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動只可能與機(jī)加工、試驗(yàn)過程中的讀數(shù)或操作有關(guān)。機(jī)加工過程是對原材料進(jìn)行取樣機(jī)加的過程。該過程中對試樣的尺寸和表面光潔度有很高的要求。如果試樣表面存在加工缺陷，則會直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際生產(chǎn)中，只要求材料的力學(xué)性能達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)的要求即可。

3 結(jié)論

綜上所述，對于中國GB/T229-2007，日本JIS Z2242和美國ASTM E23-06的沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行了比較。由比較可知，由于均源自ISO148，JIS Z2242-2005和GB/T229-2007對沖擊試驗(yàn)機(jī)、沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)程序的要求基本相似，只是JIS Z2242-2005對沖擊試樣部分尺寸的允許偏差較小。通過分析調(diào)制鋼40CrNiMoA在不同溫度下沖擊斷口形貌和沖擊值的變化，確定了其韌脆轉(zhuǎn)折溫度為-20℃。以及在常溫下對鈦合金TC4的沖擊試驗(yàn)，分析了其沖擊吸收功的波動，表明試樣滿足生產(chǎn)要求，波動主要是受試樣的加工和試驗(yàn)操作等因素影響。

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