GB/T 229—2020金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法簡析和與美標(biāo)的對(duì)比

揭輝經(jīng) 張 曄 蘇忠亮

夏比（Charpy）擺錘沖擊試驗(yàn)是用于材料在沖擊載荷下試樣破斷過程中吸收能量的能力的一種試驗(yàn)方法。它主要用于評(píng)價(jià)金屬材料的沖擊韌性，由于其試驗(yàn)時(shí)間短，試樣加工簡便，材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響大，因而成為一種被廣泛接受的力學(xué)性能試驗(yàn)方法[1,2]。

從1963年起，我國就制定了第一版“夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法”的方法標(biāo)準(zhǔn)。2021年4月1日，最新版本GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[3]在我國開始實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容較前一版有了一定程度的技術(shù)變化，其中主要包括：①增加了無缺口試樣及相應(yīng)要求；②增加摩擦損耗的測定；置及試樣制備》[5]。對(duì)應(yīng)于美標(biāo)，其沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)由ASTM A370—19、ASTM A673—17和 ASTM E23—18組成[6-8]。ASTM A370—9規(guī)定了鋼產(chǎn)品的沖擊試驗(yàn)方法；ASTM A673—17規(guī)定了沖擊試樣的取樣位置和方向；ASTM E23—18規(guī)定了金屬材料缺口沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。

在本文中，將對(duì)新實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020的主要內(nèi)容進(jìn)行簡要分析，包括沖擊試樣、摩擦損耗、試驗(yàn)溫度、沖擊結(jié)果以及試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容等，并結(jié)合相對(duì)應(yīng)的美國標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱美標(biāo)）內(nèi)容進(jìn)行分析。

沖擊試樣

1.沖擊試樣的尺寸與偏差

GB/T 229—2020方法適用于V型、U型和無缺口試樣的沖擊試樣。由于大部分鋼產(chǎn)品要求V型缺口沖擊試驗(yàn)，因此在此部分以討論在V型缺口時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸要求與偏差為例。

從表1可以看出，美標(biāo)在厚度、缺口角度、韌帶寬度、試樣相鄰縱向面間夾角和表面粗糙度的允許偏差上都有更為嚴(yán)格的要求。而在長度和缺口對(duì)稱面-端部距離這2項(xiàng)中2種標(biāo)準(zhǔn)有著不同的要求。

表1 V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸與偏差

除了帶缺口試樣外，新版本的國標(biāo)還增加了無缺口試樣。對(duì)于無缺口試樣，尺寸與偏差的要求與V型缺口試樣相同（缺口要求除外）。而在美標(biāo)中，對(duì)無缺口試樣有更為詳細(xì)的說明。首先，通常認(rèn)為粉末冶金材料適合使用無缺口試樣。其次，這一類材料的沖擊試驗(yàn)結(jié)果受試樣方向的影響較大，因此詳細(xì)規(guī)定了沖擊的方向。最后，對(duì)無缺口試樣的尺寸偏差要求也單獨(dú)進(jìn)行了規(guī)定，較缺口試樣的要求更為寬松。

2.試樣的取樣與制備

GB/T 229—2020中規(guī)定試樣的取樣除了按相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)之外，還應(yīng)按GB/T 2975的規(guī)定進(jìn)行。GB/T 2975—2018中規(guī)定了各類產(chǎn)品的取樣位置，包括型鋼、棒材、鋼板和管材。試樣的制備過程中應(yīng)減少任何可能導(dǎo)致材料發(fā)生改變的影響（比如加熱或冷作硬化）。

ASTM E23—18中試樣的取樣位置按ASTM A673—17的規(guī)定執(zhí)行，與GB/T 2975的規(guī)定相類似。但是由于使用的產(chǎn)品具體情況有所差別，因此不在本文中一一描述。而對(duì)于試樣的制備過程，美標(biāo)僅對(duì)熱處理材料進(jìn)行了描述：當(dāng)需要評(píng)價(jià)熱處理對(duì)材料性能的影響時(shí)，則要在熱處理完成后進(jìn)行制備工序（包括開缺口），除非能證明缺口試樣在熱處理前后沖擊性能是一致的。

3.試樣的標(biāo)記

GB/T 229—2020中規(guī)定試樣的標(biāo)記可以標(biāo)在不與支座、砧座及擺錘錘刃接觸的試樣表面上。由于標(biāo)記造成的塑性變形和表面不連續(xù)性不應(yīng)對(duì)吸收能量產(chǎn)生影響。另外，對(duì)于具體用于做標(biāo)記的手段沒有詳細(xì)的規(guī)定。

在美標(biāo)中一致性標(biāo)記可以被標(biāo)在以下幾個(gè)位置：①試樣兩端10mm?10mm的端面處；②當(dāng)試樣放置在砧座上時(shí)試樣朝上的面；③缺口的背面。在所有面中，缺口中心線10mm范圍內(nèi)均不允許有標(biāo)記。永久性記號(hào)筆、激光雕刻、靜電筆等合理手段都可以用于標(biāo)記。但是方法使用不正確會(huì)導(dǎo)致試樣受損，比如靜電筆產(chǎn)生的過熱或者打鋼印造成的變形均會(huì)影響結(jié)果。

試驗(yàn)過程

1.摩擦損耗的測定

新版本的GB/T 229在試驗(yàn)程序中新增了摩擦損耗的測定。較之前的版本，摩擦損耗的測定沒有在方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，只有在檢定規(guī)程中有規(guī)定。而新版本中，需要在每天開始試驗(yàn)之前對(duì)摩擦損耗進(jìn)行測定，以此來確保試驗(yàn)儀器處于一個(gè)較好的狀態(tài)中。

2份標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)摩擦損耗測定方法的描述幾近相同。首先升起擺錘至鎖定位置。在無樣品安裝的情況下，移動(dòng)指針至零位處后釋放擺錘。然后讓擺錘自由擺動(dòng)5個(gè)周期（擺錘向前和向后合起來算1個(gè)周期）。在第六個(gè)周期向前擺動(dòng)之前，將指針撥動(dòng)到約滿量程的5%位置（美標(biāo)中規(guī)定5%～10%）。在第六個(gè)周期向前擺動(dòng)完成后記錄下指針數(shù)值，并轉(zhuǎn)換為吸收能量值。將該能量值除以10后，再除以量程值乘以100即可得摩擦損耗及風(fēng)阻損耗的百分比。GB/T 229—2020中規(guī)定摩擦損耗不應(yīng)超過量程值的0.5%，若超過此限制的話，則應(yīng)考慮清潔或更換軸承。而在ASTM E23—18中，該摩擦損耗的百分比不能超過量程的0.4%，且與之前測定的損耗百分比之間差距不能超過10%。因此美標(biāo)在對(duì)摩擦損耗的規(guī)定上較國標(biāo)的要求更為嚴(yán)苛。

2.試驗(yàn)溫度的要求

GB/T 229—2020中規(guī)定沖擊試驗(yàn)應(yīng)在23℃±5℃（室溫）進(jìn)行。對(duì)于試驗(yàn)溫度有規(guī)定的沖擊試驗(yàn)，試樣溫度應(yīng)控制在規(guī)定溫度±2℃范圍內(nèi)進(jìn)行。

對(duì)于試驗(yàn)溫度有規(guī)定的沖擊試驗(yàn)，試樣通常放在液體介質(zhì)或者氣體介質(zhì)中冷卻或加熱。使用液體介質(zhì)時(shí)，液體介質(zhì)溫度應(yīng)控制在規(guī)定溫度±1℃以內(nèi)，并且在介質(zhì)中至少保持5min。使用氣體介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)溫度應(yīng)控制在規(guī)定溫度±1℃以內(nèi)，并且在介質(zhì)中至少保持30min。試樣從高溫或低溫介質(zhì)中移出至打斷的時(shí)間應(yīng)控制在5s以內(nèi)（當(dāng)室溫或儀器溫度與試樣溫度差小于25℃時(shí)，可以延長轉(zhuǎn)移時(shí)間至10s以內(nèi)）。

ASTM E23—18中規(guī)定室溫條件下沖擊試驗(yàn)應(yīng)在20℃±5℃下進(jìn)行。有規(guī)定試驗(yàn)溫度時(shí)，應(yīng)保持試樣溫度在規(guī)定溫度±1℃以內(nèi)。當(dāng)使用液體或氣體介質(zhì)時(shí)，保持時(shí)間和溫度控制要求均與國標(biāo)要求相同。另外，有特別指出轉(zhuǎn)移試樣的設(shè)施（如夾鉗）應(yīng)同樣放在介質(zhì)中保持至少5min，并在試驗(yàn)的間隙將設(shè)施放在介質(zhì)中。從上述規(guī)定中可以看出，美標(biāo)對(duì)溫度控制的要求較國標(biāo)更為嚴(yán)格，并且通過對(duì)夾持設(shè)施的規(guī)定，盡可能地減少試樣在轉(zhuǎn)移過程的溫度改變。

3.沖擊結(jié)果的處理

當(dāng)沖擊試驗(yàn)完成后，需要對(duì)吸收能量、試樣是否斷裂、是否卡錘和試樣標(biāo)記處是否明顯變形進(jìn)行判斷和處理。

（1）對(duì)吸收能量的判斷

GB/T 229—2020中規(guī)定吸收能量上限應(yīng)不能超過滿量程的80%。如果超過此限制，結(jié)果應(yīng)在報(bào)告中報(bào)告為近似值并注明超過了試驗(yàn)機(jī)能力的80%。在美標(biāo)中，這一判斷是一致的。

（2）試樣未完全斷裂的情況

在國標(biāo)中，當(dāng)試樣未完全斷裂時(shí)，應(yīng)在其他非材料驗(yàn)收試驗(yàn)報(bào)告中注明情況。若試驗(yàn)機(jī)能力不足且測定的吸收能量超出能力范圍時(shí)，則不能報(bào)出吸收能量，且應(yīng)注明吸收能量超出試驗(yàn)機(jī)能力上限。而ASTM E23—18規(guī)定在遇到試樣未斷裂的情況時(shí)，報(bào)告中應(yīng)先注明未斷裂，然后判斷其吸收能量是否超過試驗(yàn)機(jī)的80%。若吸收能量不超過80%，則在報(bào)告中可以使用該結(jié)果，但需要注明其試樣是未斷裂的；若吸收能量超過80%，且試樣完全通過了砧座，則報(bào)告其結(jié)果為近似值，不與其他試驗(yàn)結(jié)果一同計(jì)算平均值；若吸收能量超過80%，但試樣未通過試驗(yàn)機(jī)砧座時(shí)，則可以判斷并報(bào)出吸收能量超過試驗(yàn)機(jī)范圍。

（3）試樣卡錘的情況

試樣發(fā)生卡在試驗(yàn)機(jī)的情況時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果無效，且需要檢查是否造成影響其校準(zhǔn)狀態(tài)的損傷。這一處理在兩種標(biāo)準(zhǔn)中是描述一致的。

（4）試樣標(biāo)記處的檢查

GB/T 229—2020中規(guī)定在斷后試樣的標(biāo)記處若發(fā)現(xiàn)明顯變形，試驗(yàn)結(jié)果可能不代表材料的性能，并且應(yīng)在試驗(yàn)報(bào)告中注明。由于標(biāo)記處發(fā)生變形，表明試樣的標(biāo)記已經(jīng)造成了表面的不連續(xù)性，影響了其吸收能量。

試驗(yàn)報(bào)告

GB/T 229—2020中較舊版本中新增了部分報(bào)告內(nèi)容，其中含有必要的內(nèi)容（即試樣是否破斷的描述）和可選的內(nèi)容（即直接和間接校準(zhǔn)日期和測量不確定度）。目前國標(biāo)所含有的報(bào)告內(nèi)容已經(jīng)完全涵蓋了美標(biāo)所描述的報(bào)告內(nèi)容。

對(duì)于沖擊吸收能量的修約，GB/T 229—2020中要求應(yīng)估讀到0.5J或0.5個(gè)分度單位，且應(yīng)至少保留兩位有效數(shù)字。ASTM A370—19中則規(guī)定修約到ft－lbf(J)。

總結(jié)

通過對(duì)中國和美國關(guān)于沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者在沖擊試樣、沖擊試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)過程和報(bào)告內(nèi)容均有相似之處。但是從具體的細(xì)節(jié)來看，美標(biāo)對(duì)試樣尺寸偏差、試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性和試驗(yàn)溫度的控制上均有更為嚴(yán)格的要求；在無缺口試樣的適用描述、試樣制備、試樣標(biāo)記和試驗(yàn)結(jié)果處理的描述更為詳盡。雖說國標(biāo)與美標(biāo)在要求的嚴(yán)苛性和描述的完整性上還有一定差距，但GB/T 229—2020在此次更新中進(jìn)行了一定的技術(shù)指標(biāo)變化，彌補(bǔ)了一些以往版本的不足。對(duì)于檢測機(jī)構(gòu)而言，執(zhí)行不同國家的檢測方法，不僅要求對(duì)試驗(yàn)過程有了解，還需要認(rèn)識(shí)到對(duì)試驗(yàn)機(jī)和其他相應(yīng)設(shè)施要求的不同。