基于鑄鋼件V型沖擊吸收能量檢驗(yàn)規(guī)則的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)比較分析

肖章玉 劉顯有 董 濤 馬正強(qiáng) 徐文金 林 平

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

大型鑄鋼件在能源、冶金、鍛壓、礦山等行業(yè)的設(shè)備中有廣泛使用，V型沖擊吸收能量是表征鑄鋼件材料韌性的重要指標(biāo)之一，一般都有要求并在圖紙或材料規(guī)范中明確規(guī)定了V型沖擊吸收能量的試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。沖擊試樣尺寸是否按標(biāo)準(zhǔn)加工、試驗(yàn)前擺錘刀刃半徑尺寸是否按標(biāo)準(zhǔn)選擇等，是試驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是試驗(yàn)是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)鍵方面。故本文除重點(diǎn)分析比較了沖擊吸收能量的驗(yàn)收及復(fù)試驗(yàn)收規(guī)則外，也分析比較了沖擊試樣尺寸、擺錘刀刃半徑尺寸等要素。

大型鑄鋼件沖擊吸收能量常用的國(guó)際、國(guó)外試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 148-1：2016《金屬材料 夏比擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)：第1部分 試驗(yàn)方法》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10045-1：1990《金屬材料 夏比擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)：第1部分 試驗(yàn)方法(V和U型缺口)》、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370：2017《鋼制品 力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS Z2242：2018《金屬材料 沖擊試驗(yàn)方法》等，它們規(guī)定的V型沖擊試樣尺寸和擺錘刀刃半徑尺寸等關(guān)鍵要素各不相同。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GBT 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 148-1：2016制定的。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4990：2015《鑄鋼件 交貨的一般技術(shù)要求》、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1559-2：2014《鑄造 交貨技術(shù)條件：第2部分 鋼鑄件的附加要求》、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370：2017、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G0307：2014《鑄鋼件的制造試驗(yàn)及檢查通則》、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)和典型企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)V型沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)規(guī)則的規(guī)定都不同。其中中國(guó)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有參照上述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等制定的，也有與上述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不完全相同的標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)則沒有統(tǒng)一。

1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的V型沖擊試樣比較

大型鑄鋼件生產(chǎn)檢驗(yàn)中常用EN 10045-1、ASTM A370和JIS Z2242等國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和GBT 229中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其V型沖擊試驗(yàn)均采用的有10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度2 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，和7.5 mm×10 mm×55 mm、5 mm×10 mm×55 mm、2.5 mm×10 mm×55 mm等寬度減小的試樣(俗稱“小試樣”)。相同條件下，標(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)值相對(duì)穩(wěn)定，小試樣的試驗(yàn)值波動(dòng)大。實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)中一般都是用標(biāo)準(zhǔn)試樣做試驗(yàn)，故下面只對(duì)上述各標(biāo)準(zhǔn)的V型沖擊試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸進(jìn)行比較，試樣示意圖見圖1，具體比較內(nèi)容見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的V型沖擊試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸比較Table 1 Comparison of standard specimen sizes for V-shaped impact test in domestic and foreign standards

表2 V型沖擊吸收能量試驗(yàn)用擺錘刀刃半徑比較Table 2 Comparison of pendulum blade radius for V-shaped impact absorption energy test

表3 國(guó)際、國(guó)內(nèi)外沖擊吸收能量主要試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standards of main test methods and acceptance rules for impact absorption energy at home and abroad

l—長(zhǎng)度 h—高度 w—寬度1—缺口角度 2—缺口對(duì)稱面-試樣縱軸角度3—缺口根部半徑 4—缺口對(duì)稱面-端部距離5—試樣縱向面間夾角 6—缺口深度 7—缺口底部高度圖1 V型沖擊吸收能量試樣示意圖Figure 1 Schematic diagram of V-shaped impact absorption energy sample

從表1可以看出，ISO 148-1、EN 10045-1、ASTM A370、JIS Z2242和GBT 229標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣公稱尺寸的規(guī)定是一樣的，但對(duì)于缺口部位尺寸的表述不同，其中ASTM A370是規(guī)定缺口深度，其余標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定缺口底部厚度。

2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)V型沖擊試驗(yàn)擺錘刀刃半徑比較

V型沖擊試驗(yàn)用擺錘刀刃半徑不同對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的選擇、準(zhǔn)備是有明顯影響的。實(shí)驗(yàn)室需按標(biāo)準(zhǔn)(或協(xié)議)選擇相應(yīng)刀刃尺寸的擺錘。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的V型沖擊吸收能量試驗(yàn)用擺錘刀刃半徑有的是2 mm、8 mm兩種，有的只有2 mm或8 mm中的一種，具體比較內(nèi)容見表2。

從表2可以看出，EN 10045-1和ASTM A370只有1種規(guī)格。其余標(biāo)準(zhǔn)可以選擇兩種中的一種。對(duì)于擺錘刀刃半徑可選擇的標(biāo)準(zhǔn)，沒有明確時(shí)，試驗(yàn)?zāi)J(rèn)為2 mm。一般情況下，擺錘刀刃半徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒有影響，只是對(duì)于低能量的沖擊試驗(yàn)，一些材料用2 mm和8 mm擺錘刀刃測(cè)試試驗(yàn)的結(jié)果明顯不同，2 mm擺錘刀刃的結(jié)果可能高于8 mm擺錘刀刃的結(jié)果(見ISO 148-1和GBT 229標(biāo)準(zhǔn))。

3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)V型沖擊試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則

ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄鋼件V型缺口沖擊吸收能量結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則的安排是不同的。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370將V型缺口沖擊吸收能量試驗(yàn)方法與結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則放在一起(同時(shí)適用鑄鋼件和鍛鋼件)，ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和日本標(biāo)準(zhǔn)都將試驗(yàn)方法、結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則分別放在試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和鑄鋼件的通用驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中，而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)將試驗(yàn)方法、結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則分別放在GBT 229和各材料標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，具體比較內(nèi)容見表3。

表4 國(guó)際、國(guó)外主要標(biāo)準(zhǔn)沖擊吸收能量結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則比較Table 4 Comparison of acceptance rules for the of impact absorption energy result of major international and foreign standards

3.1 試驗(yàn)結(jié)果判定為合格的驗(yàn)收規(guī)則

ISO 4990和ASTM A370、EN 1559-2、JIS G0307和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄鋼件V型缺口沖擊吸收能量結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則的規(guī)定既有相同點(diǎn)，又用不同點(diǎn)。相同點(diǎn)是：3個(gè)沖擊試樣為1組，以組為單位進(jìn)行驗(yàn)收，同時(shí)考慮3個(gè)試樣沖擊吸收能量的平均值、3個(gè)試樣中沖擊吸收能量的最小單值、3個(gè)試樣中沖擊吸收能量低于規(guī)定值的試樣個(gè)數(shù)；不同點(diǎn)是：3個(gè)試樣中沖擊吸收能量的最小單值的具體規(guī)定及沖擊吸收能量低于規(guī)定值的試樣個(gè)數(shù)的具體規(guī)定各有不同。JIS G0307則根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源的不同分為：第一種只規(guī)定3個(gè)試樣沖擊吸收能量的最小平均值；第二種規(guī)定3個(gè)試樣沖擊吸收能量的最小平均值和3個(gè)試樣的沖擊吸收能量最小單值，這與ISO 4990、ASTM A370、EN 1559-2和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大不一樣。國(guó)內(nèi)外一些行業(yè)或典型企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如API Spec 8C：2012)的規(guī)定與JIS G0307中針對(duì)JIS材料的第二種情況，只規(guī)定最小平均值和最小單值的要求一樣。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則各不相同，有的參照ASTM A370的規(guī)定(如GBT 6967—2009、GBT 11352—2009、GBT 14408—2014、JBT 7024—2014、JBT 10087—2016)，有的參照ISO 4990的規(guī)定，此規(guī)定與EN 1559-2一致(如GBT 37681—2019、GBT 37400.6—2019、JBT 11018—2010、JBT 8709—2014、JBT 7031—2018、GBT 16253—2019、TCAF 010202.1 —2017)。關(guān)于國(guó)際、國(guó)外和國(guó)內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊吸收能量結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則的具體比較內(nèi)容見表4。

從表4可以看出，ISO 4990和EN 1559-2的驗(yàn)收規(guī)定是一樣的，ASTM A370與前兩者基本一樣，只是后者規(guī)定的試樣沖擊吸收能量的單值下限從規(guī)定值的70%改成了規(guī)定值的23，JIS G0307規(guī)定最為復(fù)雜：分別對(duì)JIS材料與ISO材料進(jìn)行規(guī)定，還可以看出，中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于沖擊吸收能量結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則與ASTM A370或ISO 4990及EN 1559-2一致。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí)的復(fù)試結(jié)果判為合格的驗(yàn)收規(guī)則

ISO 4990和ASTM A370、EN 1559-2、JIS G0307對(duì)鑄鋼件V型缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不合格時(shí)的復(fù)試規(guī)則各不相同。ISO 4990和EN 1559-2規(guī)定是重新做一組(3個(gè)試樣)，對(duì)新做的3個(gè)試樣的沖擊吸收能量與初試的3個(gè)試樣的沖擊吸收能量合在一起共6個(gè)試樣單值進(jìn)行判斷，ASTM A370規(guī)定是重新做一組(3個(gè)試樣)，只以新做3個(gè)試樣的單值為依據(jù)判斷復(fù)試結(jié)果。JIS G0307分為JIS材料的復(fù)試規(guī)則和ISO材料的復(fù)試規(guī)則兩種，都是對(duì)新做的3個(gè)試樣的沖擊吸收能量與初試的3個(gè)試樣的沖擊吸收能量合在一起共6個(gè)單值進(jìn)行判斷。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則各不相同，有的同ASTM A370的規(guī)定(如JBT 7024—2014、JBT 11018—2010)，有的同ISO 4990的規(guī)定(如GBT 16253—2019)，有的同EN 1559-2的規(guī)定(如JBT 10087—2016、TCAF 010202.1—2017)，有的與上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都不同(如GBT 11352—2009、GBT 14408—2014、GBT 37681—2019、GBT 37400.6—2019、JBT8709—2014、JBT 7031—2018)。上述國(guó)際、國(guó)外和國(guó)內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊吸收能量復(fù)試結(jié)果驗(yàn)收規(guī)則的比較內(nèi)容見表5。

表5 國(guó)際、國(guó)外主要標(biāo)準(zhǔn)的沖擊吸收能量復(fù)試結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則比較Table 5 Comparison of acceptance rules for re-examination results of impact absorption energy of major international and foreign standards

從表5可以看出，ISO 4990和EN 1559-2的驗(yàn)收規(guī)定對(duì)3個(gè)復(fù)試試樣的沖擊吸收能量單值要求不一樣，前者要求都不低于規(guī)定值的70%，后者要求都不低于規(guī)定值。ASTM A370規(guī)定的判斷復(fù)試結(jié)果的規(guī)則與之前的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)關(guān)，只規(guī)定3個(gè)復(fù)試試樣的沖擊吸收能量單值都不低于規(guī)定值即可。JIS G0307規(guī)定最為復(fù)雜，特點(diǎn)是JIS材料的規(guī)定與前述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不同，分為：只規(guī)定3個(gè)試樣沖擊吸收能量的平均值的情況，和規(guī)定3個(gè)試樣沖擊吸收能量的平均值和最小單值兩種的情況。還可以看出，中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于沖擊吸收能量結(jié)果的驗(yàn)收規(guī)則，除參照國(guó)際、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)外，還有兩種常用且與上述標(biāo)準(zhǔn)不同的規(guī)則(一些標(biāo)準(zhǔn)(含企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))還有其它復(fù)試規(guī)則，此處不再討論)，第一種與ISO 4990和EN 1559-2一樣復(fù)試3個(gè)沖擊樣，但中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)只做復(fù)試和原試樣共6個(gè)沖擊樣的沖擊吸收能量的算術(shù)平均值(如GBT 6967—2009、GBT 14408—2014)，第二種就是所謂“雙倍復(fù)試”，即重新做6個(gè)試樣的沖擊吸收能量試驗(yàn)，以此數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)試結(jié)果判斷，復(fù)試結(jié)果合格與否與之前的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)關(guān)(如GBT 37681—2019、GBT 37400.6—2019、JBT 8709—2014、JBT 7031—2018)，這種復(fù)試規(guī)則與國(guó)內(nèi)外的一些鍛件標(biāo)準(zhǔn)是一致的(如JIS G0306—2009、GBT 37559—2019、GBT 33212—2016、JBT 11019—2010)。

4 結(jié)語(yǔ)與建議

從前面的分析比較可以總結(jié)出各標(biāo)準(zhǔn)差異比較大的下列幾個(gè)方面：

(1)用于沖擊復(fù)試試驗(yàn)的試樣個(gè)數(shù)，及復(fù)試合格的判定規(guī)則；

(2)試樣沖擊吸收能量判為合格的最小單值的規(guī)定；

(3)沖擊試驗(yàn)擺錘刀刃半徑的規(guī)定；

(4)對(duì)于試樣沖擊吸收能量驗(yàn)收規(guī)則，國(guó)際和國(guó)外在通用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，中國(guó)在材料或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。

大型鑄鋼件通常輪廓尺寸大、壁厚大，采用砂型重力鑄造方法成型，導(dǎo)致材料組織不夠致密、有微觀偏析，易出現(xiàn)局部夾砂、縮孔等內(nèi)部缺陷，所以用于V型沖擊檢驗(yàn)的試塊質(zhì)量一致性較鍛件弱。而V型沖擊試驗(yàn)對(duì)試樣缺口敏感性強(qiáng)，即：不僅對(duì)試樣缺口加工質(zhì)量很敏感，也對(duì)鑄鋼件檢驗(yàn)試塊的微觀缺陷很敏感，通常表現(xiàn)出V型沖擊檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)波動(dòng)大。因此建議今后在制定大型鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)的沖擊吸收能量驗(yàn)收規(guī)則時(shí)，采用已在中國(guó)大量實(shí)行的雙倍復(fù)試規(guī)則。