GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》介紹

孫 宏， 宗秋麗， 崔明亮

（渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北 青縣 062658）

金屬材料在使用過程中除要求有足夠的強度和塑性外， 還要求有足夠的韌性[1]。 斷裂韌性好的管線鋼管在服役條件下不至于突然發(fā)生脆性斷裂， 從而使得管道安全得到保證[2]。 沖擊試驗是用于評價材料韌性的重要試驗項目。 沖擊試驗標準主要包括GB/T 229、 ASTM A370、 ASTM E23及ISO148-1 等。 ASTM A370-20 適用于鋼產(chǎn)品（包括鋼、 不銹鋼及相關(guān)合金） 力學(xué)性能試驗所采用的程序和定義， 其中包括沖擊試驗項目[3]。2020 年9 月29 日， 國家市場監(jiān)督管理總局及國家標準化管理委員會共同發(fā)布了GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》， 新版本標準修改采用ISO148-1： 2016， 這也是GB/T 229 的第四次修訂[4-5]。 相比GB/T 229—2007，GB/T 229—2020 修訂了適用范圍、 術(shù)語和定義、符號和說明、 摩擦損耗的測定、 試驗溫度及試驗報告等技術(shù)內(nèi)容[6]。 本研究對新修訂的GB/T 229—2020 的主要條款做了簡要介紹。

1 標準適用范圍

試樣方面， 與GB/T 229—2007 相比， GB/T 229—2020 在范圍中增加了無缺口試樣。 ASTM E23-18 適用于夏比沖擊試驗和艾氏沖擊試驗（懸臂梁）， 具體包括夏比V 形缺口/U 形缺口沖擊試驗、 艾氏V 形缺口沖擊試驗、 金屬粉末結(jié)構(gòu)材料用無缺口夏比沖擊試驗、 P/M 結(jié)構(gòu)材料用艾氏沖擊試驗及采用X、 Y、 Z 形補充試樣的艾氏沖擊試驗等[7]。

試驗溫度方面， GB/T 229—2020 規(guī)定的試驗溫度仍然涵蓋了室溫、 低溫以及高溫沖擊試驗。 ASTM E23-18 適用于溫度高于-196 ℃的夏比沖擊試驗。

試 驗 機 校 準 方 面， GB/T 229—2020 與ISO148-1： 2016 均未涵蓋沖擊試驗機的校準，沖擊試驗機的校準參考標準中的規(guī)范性引用文件。 ASTM E23-18 則涵蓋了試驗機完整的校準方面的內(nèi)容。

2 術(shù)語和定義、符號和說明

GB/T 229—2020 修改和增加了部分術(shù)語和定義， 參見表1， 修訂內(nèi)容基本與ISO148-1： 2016保持一致， 除了無缺口試樣。 GB/T 229—2020 關(guān)于符號和說明的變化參見表2。 與ISO148-1：2016 相比， 符號和說明部分增加了KT、 KW2及KW8， K1、 K2和KN的單位包括“J” 和“°”。

表1 GB/T 229 標準術(shù)語和定義

表2 GB/T 229 標準新增及修改的符號和說明

續(xù)表

3 試樣方面

試樣方面， 與GB/T 229—2007 相比， GB/T 229—2020 的變化較小， 仍然與ASTM E23 有較大差別， 如下所述。

（1） 增加無缺口試樣。

對于無缺口試樣， 要求與V 形缺口試樣相同（缺口要求除外）。 ASTM E23 規(guī)定了兩種無缺口試樣， 即金屬粉末結(jié)構(gòu)材料用無缺口夏比沖擊試驗試樣及P/M 結(jié)構(gòu)材料用艾氏沖擊試驗試樣。

（2） 試 樣 厚 度 （GB/T 229—2007 規(guī) 定 的“寬度”） -2.5 mm 小尺寸試樣的機加工公差由±0.04 mm 修改為±0.05 mm。

（3） 試樣相鄰縱向面間夾角 （GB/T 229—2007 規(guī)定的試樣縱向面間夾角） 的機加工公差由 “±2°” 修改為 “±1°”。 該公差的減小有助于提高檢測結(jié)果的準確度。 修訂后的公差與ASTM E23-18 規(guī)定的公差±0.17°仍然有較大差距。 如果試樣相鄰縱向面間夾角的偏差較大， 那么就會導(dǎo)致試樣與砧座的接觸空隙較大， 沖擊試驗時試樣不穩(wěn)定， 并額外消耗掉一部分沖擊能量， 從而使沖擊吸收功降低[8]。

（4） 新標準中對表2 中注c “對自動定位試樣的試驗機， 建議偏差采用±0.165 mm 代替±0.42 mm” 可修改為 “對端部對中自動定位試樣的試驗機， 建議偏差采用±0.165 mm 代替±0.42 mm”， 這意味著修改后， 對于缺口中心對中自動定位試樣的試驗機， ±0.42 mm 是適用的。對于采用端面定位的試樣， 文獻[9]建議此時試樣長度公差為±0.10 mm， 缺口中心線至端面距離應(yīng)為（27.5±0.05） mm。

（5） 小尺寸試樣相比GB/T 229—2007 及ISO148-1： 2016， 在6.1.2 中增加 “通過協(xié)議也可使用其他厚度的試樣”， 以擴大本標準的適用范圍。 另外， 相比ISO148-1： 2009， ISO148-1：2016 增加了U 形缺口小試樣的尺寸和公差要求。ISO148-1： 2016 未包括U 形缺口試樣韌帶寬度為8 mm 試樣的尺寸和公差要求。 研究表明， 不同尺寸試樣的沖擊吸收能量一般不可換算， 且試樣截面積沒有對應(yīng)關(guān)系。 ASME 和EN 標準體系對于小尺寸試樣調(diào)整試驗溫度是合理的[10]。

需要注意的是， 沖擊試樣缺口深度、 弧度和表面質(zhì)量對試驗結(jié)果有很大影響， 須嚴格控制[11]。

4 沖擊試驗

4.1 試驗原理

GB/T 229—2020 補充和完善了沖擊試驗原理， 主要是對夏比擺錘沖擊試驗結(jié)果的使用進行解釋。

4.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備方面的要求， GB/T 229—2020 與GB/T 229—2007 基本一致。

4.3 試驗程序

GB/T 229—2020 中8.1.1 增加了 “對于無缺口試樣應(yīng)使錘刃打擊中心位于試樣長度方向和厚度方向的中間位置”。 8.1.2 增加了 “檢查砧座圓角和擺錘錘刃部位是否有損傷或外來金屬粘連，如發(fā)現(xiàn)存在問題應(yīng)對問題部件及時調(diào)整、 修磨或更換以保證試驗結(jié)果的準確可靠” 與之對應(yīng)，ASTM E23-18 中9.1.1.1 對擺錘和砧座進行目視檢查， 以確認是否存在明顯的損壞和磨損。

GB/T 229—2007 對于試驗機的能量損耗僅規(guī)定“試驗前應(yīng)檢查擺錘空打時的回零差或空載能耗”。 GB/T 229—2020 中8.2.1 規(guī)定 “每天開始進行沖擊試驗前應(yīng)對摩擦造成的能量損耗進行檢查。 可以按下述方法進行摩擦損耗的評估， 也可采用其他方法”。 與GB/T 229—2007 相比，GB/T 229—2020 通過引用GB/T 3808—2018 中內(nèi)容的方式規(guī)定了空氣阻力、 軸承摩擦和指針摩擦等造成的摩擦的能量損耗的上限值以及具體測定方法， 用于指導(dǎo)實驗室對試驗機進行日常檢查。 這一新增內(nèi)容與ISO148-1： 2016 保持一致。 GB/T 229—2020 中8.2.4 規(guī)定測定的總摩擦損耗p+p′應(yīng)不超過能量標稱值KN的0.5%。

GB/T 229—2020 對于試驗溫度的要求進行了修改， 主要是使用氣體介質(zhì)冷卻或加熱試樣方面的內(nèi)容。 另外， 只要滿足GB/T 229—2020 中8.3 的要求， 允許采用其他方式進行加熱或冷卻。文獻[12] 認為過冷法很難做到適當?shù)臏囟妊a償。因此建議采用帶有自動送料裝置的沖擊機。

試驗機能力范圍的規(guī)定基本上采用了ASTM E23 的表述。 對于試樣卡錘， GB/T 229—2020 相比GB/T 229—2007 僅有表述方面的差異， 并增加了說明， ASTM E23-18 也基本一致， 斷后檢查和試驗結(jié)果則沒有修改。 GB/T 229—2020、GB/T 229—2007 及ASTM E23-18 之間的主要差異見表3。 需要注意的是， ASTM A370 規(guī)定， 對于所測鋼材的沖擊吸收功大于試驗機最大打擊能量的80%時， 可采用小尺寸試樣[13]。

表3 三個標準對于試驗程序要求的主要差異

續(xù)表

4.4 試驗報告

GB/T 229—2020 對試驗報告的要求仍然分為必要的內(nèi)容和可選的內(nèi)容。 主要變化如下：

（1） 必要的內(nèi)容： ① “缺口類型及缺口深度” 修改為 “缺口類型及韌帶寬度 （缺口深度）”； ②增加了與標準試樣不同時的試樣尺寸的寫法， 即[厚度×寬度×長度， 單位為毫米（mm）]；③增加了吸收能量KW2與KW8； ④增加了試樣或一組試樣的大多數(shù)試樣是否破斷（對于材料驗收試驗不要求）。

（2） 可選的內(nèi)容： ①“試驗機的標稱能量”修改為 “試驗機的初始勢能標稱值”； ②增加了側(cè)膨脹值-溫度曲線； ③增加了剪切斷面率-溫度曲線； ④增加了最近一次直接校準和間接校準日期 （年、 月）； ⑤增加吸收能量測量不確定度（參見附錄E）。

4.5 附錄

修改了GB/T 229—2007 附錄A。 增加了無缺口試樣用夾鉗要求； 刪除了原標準附錄A中的尺寸表中的厚度為5 mm 及3 mm 對中夾鉗尺寸， 將表中試樣寬度改為試樣類型 （包括V 形缺口和U 形缺口）， 并相應(yīng)增加U 形缺口試樣夾鉗尺寸要求。 原標準附錄A 表中的尺寸引自ASTM E23， 厚度為5 mm 及3 mm 對中夾鉗尺寸適用于ASTM E23-18 附錄A3 規(guī)定的輔助沖擊試樣形狀， 而不適用于GB/T 229—2020。

刪除了GB/T 229—2007 附錄E， 即試樣從高溫或低溫裝置中移出在3～5 s 至打斷的溫度補償值。 增加了附錄E 吸收能量的測量不確定度，試驗標準中給出測量不確定度的評定方法為國際上普遍采用的做法， 用于指導(dǎo)實驗室開展吸收能量值K 的測量不確定度的評定。 李和平等提出了借助準標樣測算沖擊試驗測量不確定度的方法[14]。 揭念柱等依椐JJF 1059—1999 《測量不確定度評定與表示》 和ISO148-1： 2006 中規(guī)定的不確定度評定方法進行了夏比擺錘沖擊試驗的不確定度評定[15]。

5 結(jié) 論

（1） GB/T 229—2020 修改采用了ISO148-1：2016， 相比ISO148-1： 2016 與GB/T 229—2007適用范圍有所擴大。 修訂后的GB/T 229—2020表述更加規(guī)范和清晰。 GB/T 229—2020 與ASTM E23—18 相比仍然存在較大的差異。

（2） 由于GB/T 229—2020 與GB/T 229—2007相比變化較大， 建議使用者對實驗室在用的文件、 記錄等進行梳理， 特別是采用作業(yè)指導(dǎo)書的實驗室應(yīng)逐條進行核對， 必要時根據(jù)新標準進行修訂。