擺錘刀刃半徑對沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響

馬輝 劉志超 朱錦波 李學(xué)軍

天津出入境檢驗(yàn)檢疫局化礦金屬材料檢測中心天津300456

夏比沖擊試驗(yàn)是金屬力學(xué)試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法之一，沖擊吸收能量是部分冶金產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對材料的檢驗(yàn)指標(biāo)之一，是評定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段[1]。其應(yīng)用十分廣泛，能夠很好地反映材料的韌脆特性，對于各種內(nèi)部缺陷和夾雜物引起的脆化非常敏感，但由于是在動態(tài)力下進(jìn)行試驗(yàn)，所以影響夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果正確性和分散性的因素很多，如試樣的狀態(tài)(尺寸、粗糙度、缺口類型及深度)、沖擊試驗(yàn)機(jī)的狀態(tài)(剛度、擺錘、軸線擺錘長度、刀刃尺寸、回零差、底座的跨距、曲率半徑及斜度和能量損失等)、試驗(yàn)條件(沖擊速度、試樣對中、溫度等)、試樣材料的不均勻性以及操作人員的差異等[2]。其中擺錘刀刃半徑為近年來爭議較大的影響因素。

常用的擺錘刀刃半徑為2 mm和8 mm兩種，用符號的下標(biāo)數(shù)字表示為KV2或KV8，擺錘刀刃半徑的選擇應(yīng)參考相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。目前金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[3]和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 148-1:2009《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》[4]中指出:對于低能量的沖擊試驗(yàn)，一些材料用2 mm和8 mm擺錘刀刃試驗(yàn)測定的結(jié)果有明顯的不同，2 mm擺錘刀刃的結(jié)果可能高于8 mm擺錘刀刃的結(jié)果，但低能量沖擊試驗(yàn)的適用范圍并沒有明確給出。針對擺錘刀刃對沖擊試驗(yàn)的影響研究相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]指出KV8結(jié)果高于KV2，文獻(xiàn)[8]認(rèn)為KV2或KV8相差不大。因?yàn)檫@些結(jié)論大多數(shù)從試驗(yàn)結(jié)果分析得出，受到其他因素的影響，所以才會導(dǎo)致結(jié)論出現(xiàn)爭議。

近年來圍繞此類問題的研究大多僅局限于對某一種材料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，這些試驗(yàn)結(jié)果本身就是眾多影響因素共同作用產(chǎn)生的，并不具備完整的代表性。如果只針對擺錘刀刃半徑，而排除其他因素影響進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的難度較大。本文利用ANSYS有限元進(jìn)行模擬分析，通過改變刀刃半徑，對不同屈服點(diǎn)的材料，在相同條件下，對標(biāo)準(zhǔn)試樣缺口的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了動態(tài)模擬，分析了擺錘刀刃半徑對沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用屈服強(qiáng)度為150 MPa～1 100 MPa以內(nèi)的各類可制作成沖擊試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸的樣品，沖擊試樣長55 mm，橫截面為10 mm×10 mm方形截面。沖擊試驗(yàn)按照GB/T 229-2007[3]進(jìn)行，缺口為V型，擺錘刀刃采用2 mm和8 mm兩種，試驗(yàn)溫度為0℃。

2 建立數(shù)值仿真模型

2.1 材料模型

采用合理的材料模型是數(shù)值模擬能夠取得成功的必要條件，本次模擬試樣選用了與應(yīng)變率無關(guān)的雙線性各向同性硬化模型，消除應(yīng)變率對試驗(yàn)的影響，其本構(gòu)關(guān)系方程為:

式中:ε為應(yīng)變，σ為與應(yīng)變相對應(yīng)的應(yīng)力，σy為材料屈服強(qiáng)度，E0為彈性模量，Et為切線模量。材料基本屬性如表1。對于參與試驗(yàn)的沖頭和砧座則采用剛性體模型，并且對模型的運(yùn)動方向進(jìn)行了限制，這樣可以大大縮減顯示分析的計算時間。

表1 材料基本屬性

2.2 幾何模型及網(wǎng)格的劃分

根據(jù)GB/T 229-2007中對沖擊試驗(yàn)的條件要求，試樣在砧座上的跨距為40 mm，沖擊試樣長55 mm，橫截面為10mm×10mm方形截面，試樣長度中間有V型缺口，缺口有45°尖角，深度為2mm。因?yàn)榇舜斡嬎憬Y(jié)果只作為趨勢性和對比性研究，為了減小計算量，將沖頭模型簡化，底部曲率半徑忽略，但不影響沖擊結(jié)果的對比。依據(jù)保證精度，提高計算效率的原則，以試件中心為對稱建立的1/2幾何模型，對試件采用較密的網(wǎng)格劃分，其余部分采用相對粗的網(wǎng)格。

2.3 定義接觸、約束和施加載荷

沖擊過程是物體與物體間的表面接觸，并且不需要發(fā)生穿透，所以采用ASSC自動接觸。因?yàn)橹挥?/2的模型，所以在對稱軸所在的平面定義了對稱邊界條件，并限制了X軸方向的位移。施加的載荷為時間-位移，如表2。為提高計算效率，時間均被縮小1 000倍，但不影響結(jié)果分析。

表2 施加的載荷

2.4 求解控制

在求解控制中，主要是設(shè)置質(zhì)量阻尼與計算終止時間，其余的一些控制項(xiàng)可采用軟件中的默認(rèn)設(shè)置。計算終止時間應(yīng)足夠大到使模型中節(jié)點(diǎn)不發(fā)生振蕩而形成穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場?？梢灶A(yù)先設(shè)置一個時間值，然后以分析結(jié)果中模型能量時間曲線上動能為零的時刻作為最后的計算終止時間。

3 擺錘刀刃半徑為8mm和2mm的沖擊試驗(yàn)比較

3.1 擺錘刀刃半徑為8 mm和2 mm的沖擊試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

圖1為擺錘刀刃半徑為8 mm和2 mm的沖擊試驗(yàn)前后試樣的應(yīng)力云圖，兩種試樣沖擊后應(yīng)力云圖相似，應(yīng)力主要集中在缺口及缺口周邊區(qū)域，但8 mm的刀刃沖擊后試樣應(yīng)力分布范圍略大，主要是由于8 mm的刀刃作用區(qū)域面積更大。試樣達(dá)到斷裂前最大應(yīng)力時的變形量基本相當(dāng)，說明同一種材料，無論采用哪種擺錘刀刃，沖擊試樣都是彎曲到同一角度開始斷裂。

3.2 擺錘刀刃為2mm的沖擊試樣單元最大等效應(yīng)力-時間分析

試樣材料模擬采用的屈服強(qiáng)度分別采用150～1 000 MPa，每增加50 MPa，進(jìn)行一次模擬計算，并對單元H595，H604，H748，H757，H766，H775的等效應(yīng)力最大值進(jìn)行追蹤分析，詳見圖2所標(biāo)記單元位置。經(jīng)過分析的計算結(jié)果見圖3。各單元最大等效應(yīng)力-時間曲線變化趨勢基本一致，隨著材料屈服點(diǎn)的提高，最大等效應(yīng)力呈上升趨勢，而達(dá)到最大等效應(yīng)力所需要的時間呈現(xiàn)周期性波動變化。當(dāng)屈服點(diǎn)達(dá)到750MPa以上時，波動變化幅度減小，呈現(xiàn)相對穩(wěn)定趨勢。

圖1 擺錘刀刃半徑為8 mm和2 mm的沖擊試驗(yàn)前后應(yīng)力云圖

圖2 單元H595，H604，H748，H757，H766，H775位置

圖3 擺錘刀刃為2 mm時，單元H595、H604、H748、H757、H766、H775最大等效應(yīng)力-時間曲線

3.3 擺錘刀刃為8 mm的沖擊試樣單元最大等效應(yīng)力-時間分析

圖4 為擺錘刀刃為8 mm時，各單元最大等效應(yīng)力-時間曲線變化趨勢，與2 mm的刀刃沖擊結(jié)果基本一致。隨著材料屈服點(diǎn)的提高，最大等效應(yīng)力呈上升趨勢，而達(dá)到最大等效應(yīng)力所需要的時間呈現(xiàn)周期性波動變化，但是變化的幅度更大。變化幅度減小并趨于穩(wěn)定時，材料的屈服點(diǎn)為700 MPa。

3.4 對比分析擺錘刀刃為2 mm和8 mm的沖擊試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

單元H766和H775處于缺口尖端，根據(jù)Von Mises應(yīng)力云圖顯示，在所有材料的完整沖擊過程中H775和H766產(chǎn)生的應(yīng)力最大。圖5為擺錘刀刃為2 mm和8 mm時，單元H775和H766的最大等效應(yīng)力-時間曲線。在同一刀刃半徑下，兩個單元的最大等效應(yīng)力-時間曲線變化趨勢相同，但是在不同刀刃半徑下，變化有著明顯的區(qū)別。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，可以把整個變化過程分為3個部分。第一部分為屈服點(diǎn)處于1 000 MPa～750 MPa時，兩種擺錘刀刃半徑的模擬結(jié)果達(dá)到的最大等效應(yīng)力及達(dá)到最大等效應(yīng)力所需要的時間基本相當(dāng)。第二部分為屈服點(diǎn)處于750 MPa～350 MPa時，兩種擺錘刀刃半徑的模擬結(jié)果達(dá)到的最大等效應(yīng)力及達(dá)到最大等效應(yīng)力所需要的時間交替領(lǐng)先。其中絕大部分為8 mm的刀刃半徑?jīng)_擊后達(dá)到的最大等效應(yīng)力和所需時間大于擺錘刀刃半徑為2 mm時的結(jié)果，只有處于750 MPa～700 MPa時，2 mm的刀刃半徑達(dá)到最大等效應(yīng)力所需要的時間大于8 mm時的結(jié)果。第三部分為屈服點(diǎn)處于350 MPa～150 MPa時，兩種擺錘刀刃半徑的模擬結(jié)果達(dá)到的最大等效應(yīng)力及達(dá)到最大等效應(yīng)力所需要的時間基本相當(dāng)，其中處于300 MPa～200 MPa時，2 mm的刀刃半徑達(dá)到最大等效應(yīng)力大于8 mm時的結(jié)果。

圖5 單元H766和H775在擺錘刀刃分別為8 mm和2 mm時，最大等效應(yīng)力-時間曲線

根據(jù)沖擊試驗(yàn)原理，沖擊吸收能KV=GH1-GH2，其中H1為沖擊前擺錘高度，H2為沖擊后擺錘上升高度。忽略空氣等阻力，根據(jù)機(jī)械能守恒定律:GH=1/2mv2；動量定理:Ft=mv1-mv2，可得:

所以，沖擊吸收能:

其中F、F′分別可以約等于KV2和KV8的最大等效應(yīng)力；t、t′分別為KV2和KV8達(dá)到最大力所需要的時間；v2、v2′分別為KV2和KV8擺錘沖斷試樣后瞬間的最大速度；v1為擺錘接觸試樣前最大速度，由于初始勢能相同，所以KV2和KV8擺錘接觸到?jīng)_擊試樣前的最大速度相同；由于v1遠(yuǎn)大于v2、v2′，且v2、v2′相差不大，KV2、KV8的沖擊吸收能可以簡化為:

根據(jù)圖5顯示，并按照簡化的沖擊吸收能公式可以推出:當(dāng)沖擊試樣材料屈服點(diǎn)處于1 000 MPa～750 MPa時，KV8和KV2基本相當(dāng)，因?yàn)閠、t′較小，此時沖擊吸收能較小；當(dāng)沖擊試樣材料屈服點(diǎn)處于750 MPa～700 MPa和300 MPa～200 MPa時，KV8小于KV2，當(dāng)沖擊試樣材料屈服點(diǎn)處于700 MPa～350 MPa時，KV8大于KV2，這兩部分沖擊吸收能較大；當(dāng)沖擊試樣材料屈服點(diǎn)處于350 MPa～300 MPa和200 MPa～150 MPa時，KV8和KV2基本相當(dāng)，但因?yàn)镕、F′較小，所以此時沖擊吸收能也處于較低水平。

4 結(jié)果與討論

參照模擬試驗(yàn)，在日常檢驗(yàn)過程中選取屈服強(qiáng)度為150 MPa～1 100 MPa的材料，每次檢測分別采用沖擊刀刃為2 mm和8 mm的刀刃進(jìn)行，檢測儀器為Instron SI-1M型沖擊試驗(yàn)機(jī)，執(zhí)行的方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229-2007。因?yàn)闄z測結(jié)果為實(shí)測值，各類影響因素眾多，但是通過增加試驗(yàn)次數(shù)，利用KV8與KV2之間的差值，分析差值與屈服強(qiáng)度之間的趨勢關(guān)系，最大限度的排除其他影響因素，如圖6所示。

圖6 沖擊吸收能KV8與KV2之間的差值與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，屈服強(qiáng)度為350 MPa～700 MPa之間的材料，絕大多數(shù)KV2的檢測結(jié)果小于KV8；屈服強(qiáng)度為700 MPa～800 MPa之間的材料，絕大多數(shù)KV2的檢測結(jié)果大于KV8；屈服強(qiáng)度為800 MPa～1 100 MPa之間的材料，雖然絕大多數(shù)KV2的檢測結(jié)果小于KV8，但是之間的差值明顯減小，且趨近于0，與模擬結(jié)果較為接近，證明整個模擬過程具有一定的合理性。

GB/T 229-2007中指出:對于低能量的沖擊試驗(yàn)，一些材料用2 mm和8 mm擺錘刀刃試驗(yàn)測定的結(jié)果有明顯的不同，2 mm擺錘刀刃的結(jié)果可能高于8 mm擺錘刀刃的結(jié)果[4]，通過模擬結(jié)果表明這個低能量沖擊試驗(yàn)的適用范圍是當(dāng)材料屈服強(qiáng)度為750 MPa～700 MPa和300 MPa～200 MPa左右時，KV2會大于KV8。但同時在這個低能量沖擊試驗(yàn)的范圍內(nèi)，如果材料的屈服強(qiáng)度小于200 MPa或大于750 MPa時，那么KV2和KV8幾乎相等。KV2和KV8產(chǎn)生的這些差別主要和材料冷脆的物理本質(zhì)有關(guān)。冷脆斷裂主要分為兩種，一種為解理斷裂，一種為微孔斷裂；當(dāng)溫度在轉(zhuǎn)變溫度以上時，位錯運(yùn)動阻力低，即材料屈服強(qiáng)度低，這時在位錯塞積群應(yīng)力場作用下，解理斷裂沒有條件發(fā)生，塑性變形(位錯運(yùn)動)搶先產(chǎn)生微孔斷裂；當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時，位錯運(yùn)動阻力增加，即屈服強(qiáng)度增加，微孔斷裂沒有條件發(fā)生的情況下，解理斷裂搶先產(chǎn)生[9]。上述過程中，不難發(fā)現(xiàn)冷脆的實(shí)質(zhì)就是溫度降低時，屈服強(qiáng)度提高造成的。也就是說溫度影響的實(shí)質(zhì)就是使材料屈服強(qiáng)度的升高或降低。如果將溫度的降低，轉(zhuǎn)化為屈服強(qiáng)度的升高來考慮，那么與圖5顯示的結(jié)論有著一定的規(guī)律性。結(jié)合部分典型沖擊試樣剪切斷面率評定的結(jié)果見表3，可以推論認(rèn)為:當(dāng)沖擊試樣材料屈服點(diǎn)處于1000MPa～750MPa和350MPa～300MPa、200 MPa～150 MPa，沖擊試樣出現(xiàn)純解理斷裂形貌或者純微孔斷裂時，KV2和KV8都幾乎相等。因?yàn)閿嗫跒榧兘饫頂嗔鸦蛘呒兾⒖讛嗔褧r，沖擊刀刃的半徑并不會影響沖擊試樣的斷裂方式，此時沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果對沖擊刀刃半徑的影響并不敏感，所以KV2和KV8幾乎相等。當(dāng)材料屈服點(diǎn)處于750 MPa～700 MPa、300 MPa～200 MPa和700 MPa～350 MPa，沖擊試樣出現(xiàn)解理斷裂和微孔斷裂同時存在時，沖擊刀刃的半徑會影響兩種斷裂方式在斷口所占的比例，所以此時KV2、KV8會出現(xiàn)一定的差異，部分典型混合斷面形貌的差異見圖7。

表3 部分典型沖擊試樣剪切斷面率評定結(jié)果

圖7 2 mm和8 mm擺錘刀刃沖擊后，典型斷面形貌之間的宏觀差異

當(dāng)前對于KV2和KV8的選擇，各個國家和組織的標(biāo)準(zhǔn)都有各自的規(guī)定。其主要分為3個陣營，美國ASTM和API系列的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)基本上都規(guī)定采用方法標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。ASTM A370-2016《鋼產(chǎn)品力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法及定義》[10]對于沖擊刀刃半徑的選擇規(guī)定只有KV8一種；歐盟EN系列的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要采用EN 10045-1:1990《金屬材料-夏比沖擊試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》[11]和ISO 148-1:2009《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》[4]兩種，EN 10045-1:1990中對于沖擊刀刃半徑的選擇規(guī)定只有KV2一種，而ISO 148-1:2006規(guī)定卻兼顧了美國ASTM和歐盟EN兩個體系，有KV2和KV8兩種；我國國家標(biāo)準(zhǔn)金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法GB/T 229-2007為修改采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 148-1:2006[3]，其中對沖擊刀刃半徑的規(guī)定基本與國際標(biāo)準(zhǔn)一致。之所以出現(xiàn)這種格局，正是因?yàn)镵V2和KV8的大小略有不同，不利于體系內(nèi)數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ群团卸āＮ覈?dāng)前同時采用2 mm和8 mm兩種擺錘刀刃的沖擊試驗(yàn)主要和我國當(dāng)前發(fā)展水平和發(fā)展特點(diǎn)有關(guān)，但是未來隨著我國技術(shù)水平的不斷發(fā)展，對于此問題的影響應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展過程中得到解決。

5 結(jié)束語

根據(jù)模擬結(jié)果推斷，沖擊吸收能KV8與KV2之間的差異主要取決于材料自身屈服點(diǎn)的高低，包括由于溫度變化導(dǎo)致的屈服點(diǎn)變化。當(dāng)斷口為純解理斷裂或者純微孔斷裂時，KV2和KV8幾乎相等，當(dāng)斷口為解理斷裂和微孔斷裂同時存在時，沖擊吸收能KV8與KV2之間就會存在差異，差異的大小由所處的屈服點(diǎn)區(qū)間有關(guān)。

對于低能量沖擊試驗(yàn)的適用范圍是當(dāng)材料屈服強(qiáng)度為750 MPa～700 MPa和300 MPa～200 MPa時，KV2會大于KV8。但同時在這個低能量沖擊試驗(yàn)的范圍內(nèi)，如果材料的屈服強(qiáng)度小于200 MPa或大于750 MPa時，那么KV2和KV8幾乎相等。當(dāng)前沖擊試驗(yàn)兩種擺錘刀刃半徑的選擇應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，但在未來標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂過程中，在材料KV2和KV8幾乎相等的區(qū)間，應(yīng)遵循互相替代的原則，進(jìn)一步提高檢測效率。