3種金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)分析及對(duì)比

宋秀文

(大連大重檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司, 大連 116031)

工程機(jī)械中的許多零部件是在快速加載即沖擊載荷條件下工作的，如汽車(chē)在凸凹不平的道路上行駛、飛機(jī)的起飛和降落等。韌性可分為靜力韌性、沖擊韌性和斷裂韌性，其中沖擊韌性的試驗(yàn)方法，按其服役工況有夏比沖擊試驗(yàn)、艾氏沖擊試驗(yàn)及沖擊拉伸試驗(yàn)等。其中夏比沖擊試驗(yàn)因其試樣加工簡(jiǎn)便、試驗(yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等敏感而成為評(píng)價(jià)金屬材料沖擊韌性應(yīng)用最廣泛的一種傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)，也是評(píng)定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段之一[1-2]。

隨著我國(guó)同歐美國(guó)家在工業(yè)、科技和貿(mào)易等方面合作日益密切，很多場(chǎng)合都要按照歐美標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試金屬材料的力學(xué)性能，因此有必要將中國(guó)和歐洲及美國(guó)有關(guān)金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)之間存在的差異和聯(lián)系進(jìn)行比對(duì)，以便試驗(yàn)人員及時(shí)掌握相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)的鋼產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一般采用GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)修改采用ISO 148-1：2006《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。

歐洲國(guó)家的鋼產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為EN ISO 148-1：2016《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。ISO 148-1：2016被歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)批準(zhǔn)為EN ISO 148-1：2016，且沒(méi)有任何修改，在歐洲CEN成員國(guó)中執(zhí)行。

美國(guó)的鋼產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM A370-18《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中的20～30部分和ASTM E23-18《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》兩種試驗(yàn)方法，由于ASTM A370-18用于測(cè)試鋼、不銹鋼和相關(guān)合金產(chǎn)品的力學(xué)性能，并且沖擊試驗(yàn)僅規(guī)定采用夏比V型缺口沖擊試樣，因此筆者對(duì)GB/T 229-2007，EN ISO 148-1:2016及ASTM E23-18等3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析與對(duì)比。

1 試驗(yàn)原理

GB/T 229-2007,EN ISO 148-1：2016及ASTM E23-18這3個(gè)沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)原理均是將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打斷試樣，測(cè)定試樣的吸收能量。

2 沖擊試樣要求

2.1 試樣尺寸要求

由表1可知，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的試樣總體分類(lèi)基本相同，標(biāo)準(zhǔn)試樣均為10 mm×10 mm×55 mm，在試樣長(zhǎng)度中間均有V型或U型缺口。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中V型缺口小試樣尺寸均開(kāi)有10 mm×7.5 mm×55 mm及10 mm×5 mm×55 mm及10 mm×2.5 mm×55 mm這3種，另外ASTM A370-18中對(duì)V型缺口小試樣尺寸規(guī)定還可采用10 mm×6.7 mm×55 mm及10 mm×3.3 mm×55 mm兩種類(lèi)型的試樣。GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中U型缺口小試樣尺寸有10 mm×7.5 mm×55 mm和10 mm×5 mm×55 mm兩種，而ASTM E23-18中U型缺口無(wú)小試樣尺寸規(guī)定。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中試樣V型缺口角度均為45°，缺口根部半徑均為0.25 mm，缺口深度均為2 mm；U型缺口根部半徑均為1 mm，缺口深度ASTM E23-18和EN ISO 148-1：2016均為5 mm，但GB/T 229-2007還增加了深度為2 mm的缺口試樣，另外JB/T 6397-2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》附錄A還規(guī)定了一種U型缺口深度為3 mm的沖擊試樣，在國(guó)標(biāo)沖擊試驗(yàn)中U型缺口深度為2 mm和3 mm的這兩種試樣較為常用。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)尺寸公差的具體要求詳見(jiàn)表1，由表1可以看出ASTM E23-18對(duì)沖擊試樣尺寸公差的要求較GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016的更為嚴(yán)格。由于沖擊試樣缺口尺寸的變化會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果，因此在試驗(yàn)中應(yīng)特別注意V型缺口的檢查，在使用投影儀檢查ASTM E23-18沖擊試樣缺口時(shí)，必須使用符合ASTM E23-18標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣樣板。

表1 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣尺寸及允許偏差要求Tab.1 Impact specimen dimensions and allowable deviations requirements from the three standards

2.2 試樣的表面粗糙度要求

GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016要求試樣表面粗糙度Ra應(yīng)優(yōu)于5 μm,端部除外；ASTM E23-18要求粗糙度在缺口表面和背面小于等于2 μm，在其他兩個(gè)表面小于等于4 μm。

3 試驗(yàn)設(shè)備

3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使用的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)架、擺錘、鉆座、指示裝置及擺錘釋放、制動(dòng)和提升機(jī)構(gòu)等組成，其基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及操作方法大同小異，但沖擊錘刃、砧座及試樣支座等的尺寸公差略有不同。由表2可知，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)機(jī)錘刃半徑為2 mm和8 mm兩種，而大多數(shù)情況下，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016沖擊試驗(yàn)規(guī)定使用2 mm錘刃，ASTM E23-18沖擊試驗(yàn)規(guī)定使用8 mm錘刃；GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中要求砧座圓角半徑為(1～1.5) mm，ASTM E23-18中則要求砧座圓角半徑為(1±0.05) mm；GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中要求砧座跨距應(yīng)保證(40+0.2) mm，ASTM E23-18中則要求砧座跨距應(yīng)保證(40±0.05) mm。另外，ASTM E23-18中規(guī)定了錘刃及砧座表面粗糙度Ra≤0.1 μm，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016未對(duì)錘刃及砧座表面粗糙度進(jìn)行規(guī)定?？傮w來(lái)說(shuō)ASTM E23-18對(duì)試驗(yàn)機(jī)的特征參數(shù)的尺寸公差要求更為嚴(yán)格。

表2 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗(yàn)機(jī)特征參數(shù)及尺寸公差要求Tab.2 Characteristic parameters and dimensional tolerance requirements of impact testing machine of the three standards

對(duì)于沖擊試驗(yàn)機(jī)的能力范圍，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限為試驗(yàn)機(jī)最大能量的80%， GB/T 229-2007規(guī)定下限為試驗(yàn)機(jī)最小分辨力的25倍，ASTM E23-18規(guī)定下限為25倍的刻度或讀出裝置在15 J時(shí)的分辨力。

4 試驗(yàn)程序

4.1 試驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)備

GB/T 229-2007規(guī)定試驗(yàn)前應(yīng)檢查擺錘空打時(shí)的回零差或空載能耗，并檢查砧座跨距(40+0.2) mm，回零差不應(yīng)大于擺錘最大能量的0.1%。EN ISO 148-1：2016規(guī)定在每天試驗(yàn)前應(yīng)檢查摩擦損耗，且不超過(guò)0.5%的標(biāo)稱(chēng)能量。ASTM E23-18規(guī)定在每天、每個(gè)班次或者每個(gè)試驗(yàn)間歇期在進(jìn)行試驗(yàn)之前都應(yīng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢查，包括對(duì)擺錘和支座進(jìn)行目視檢查、試驗(yàn)機(jī)的0刻度位置及摩擦和風(fēng)阻損耗，摩擦和風(fēng)阻損耗應(yīng)不超過(guò)0.4%的被測(cè)刻度范圍，同時(shí)變化應(yīng)不會(huì)超過(guò)10%的先前設(shè)備記錄的百分比摩擦和風(fēng)阻損耗測(cè)量值。

4.2 試驗(yàn)溫度

對(duì)于室溫沖擊試驗(yàn)溫度，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016規(guī)定應(yīng)在(23±5) ℃進(jìn)行，ASTM E23-18規(guī)定應(yīng)在(20±5) ℃進(jìn)行，而ASTM A370-18則規(guī)定室溫試驗(yàn)溫度為15～32 ℃。對(duì)于試驗(yàn)溫度有規(guī)定的，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016規(guī)定應(yīng)在規(guī)定試驗(yàn)溫度的±2 ℃進(jìn)行，ASTM E23-18規(guī)定應(yīng)在規(guī)定試驗(yàn)溫度的±1 ℃進(jìn)行，具體見(jiàn)表3。

表3 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗(yàn)溫度要求Tab.3 Impact test temperature requirements of the three standards

試樣在冷卻或加熱介質(zhì)中的保持時(shí)間，GB/T 229-2007規(guī)定，當(dāng)使用液體介質(zhì)冷卻試樣時(shí)，試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保持至少5 min，當(dāng)使用氣體介質(zhì)冷卻試樣時(shí)，試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保持至少20 min，另外，對(duì)于試驗(yàn)溫度不超過(guò)200 ℃的試驗(yàn)，試樣應(yīng)在規(guī)定溫度±2 ℃的液池中保持至少10 min，對(duì)于試驗(yàn)溫度超過(guò)200 ℃的試驗(yàn)，試樣應(yīng)在規(guī)定溫度±5 ℃的高溫裝置內(nèi)保持至少20 min。EN ISO 148-1：2016和ASTM E23-18規(guī)定試樣在液體介質(zhì)中至少保持5 min，在氣體介質(zhì)中至少保持30 min?？傮w來(lái)說(shuō)GB/T 229-2007對(duì)試驗(yàn)溫度的規(guī)定更為詳細(xì)。

4.3 試樣的轉(zhuǎn)移

3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均要求試樣從高溫或低溫裝置中移出至打斷的時(shí)間應(yīng)不大于5 s，且移出裝置和試樣的接觸部分要與試樣一起加熱或冷卻，但EN ISO 148-1：2016中規(guī)定如果環(huán)境溫度或儀器溫度與試樣溫度之差小于25 ℃時(shí)，試樣移出至打斷時(shí)間應(yīng)小于10 s。其中GB/T 229-2007還特別注明了試樣從高溫或低溫裝置中移出至打斷時(shí)間為3～5 s時(shí)的溫度補(bǔ)償。

5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果處理及報(bào)告

5.1 數(shù)值修約

GB/T 229-2007中規(guī)定,沖擊吸收能量應(yīng)至少估讀到0.5 J或0.5個(gè)標(biāo)度單位(取兩者之間較小值)，試驗(yàn)結(jié)果至少保留兩位有效數(shù)字，EN ISO 148-1：2016和ASTM E23-18對(duì)數(shù)值修約沒(méi)有明確規(guī)定。

5.2 試樣未完全斷開(kāi)的處理

試樣未完全斷開(kāi)時(shí)，GB/T 229-2007和ASTM E23-18兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告情況基本相似，其中ASTM E23-18中對(duì)小于試驗(yàn)機(jī)能力80%的未斷開(kāi)試樣，如果報(bào)告未列出各個(gè)試驗(yàn)值，則應(yīng)報(bào)告未斷開(kāi)試樣的百分比數(shù)及平均值，但是EN ISO 148-1：2016對(duì)未完全斷開(kāi)的試樣未作明確規(guī)定。對(duì)于未斷開(kāi)的試樣，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出的規(guī)定基本相似。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣未完全斷裂及未斷開(kāi)的報(bào)告描述具體見(jiàn)表4。

表4 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果及報(bào)告要求Tab.4 Impact test results and reporting requirements of the three standards

隨著國(guó)內(nèi)外金屬材料生產(chǎn)工藝的不斷提升，材料的沖擊韌性越來(lái)越好，沖擊試驗(yàn)后試樣大多數(shù)沒(méi)有完全斷裂為兩半，而材料驗(yàn)收試驗(yàn)是用以評(píng)估最低驗(yàn)收要求的試驗(yàn)，因此EN ISO 148-1：2016對(duì)未完全斷裂的試樣未作相關(guān)規(guī)定，此要求操作方便更符合一般的生產(chǎn)制造性企業(yè)的檢測(cè)試驗(yàn)需求。

5.3 沖擊吸收能量的表示

由表4可知，ASTM E23-18沒(méi)有沖擊吸收能量的表示符號(hào)，而GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016沖擊吸收能量均表示為KV2,KV8,KU2,KU8等4種符號(hào)，其中下標(biāo)V和U分別表示缺口類(lèi)型，下標(biāo)2和8表示錘刃半徑，如KV2表示V型缺口試樣在2 mm錘刃下的沖擊吸收能量。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)中國(guó)、歐洲和美國(guó)沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于沖擊試驗(yàn)原理、試樣尺寸、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序及試驗(yàn)結(jié)果等方面進(jìn)行了比較，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的一些規(guī)定進(jìn)行了討論。因國(guó)標(biāo)(GB)和歐標(biāo)(EN)沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均源自于ISO 148-1，只是源自ISO 148-1的年號(hào)不同，所以GB和EN沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)基本相同。美標(biāo)(ASTM)沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相比GB和EN，在試樣尺寸及設(shè)備尺寸公差方面要求更為嚴(yán)格，相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)定也更加詳細(xì)。因此，試驗(yàn)人員在采用這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)特別注意這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的不同之處。