夏比沖擊試驗方法對比

陳 松，朱斌燕

（華油鋼管有限公司揚州分公司，江蘇 揚州 225000）

夏比沖擊試驗是評價沖擊載荷下材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力的試驗方法［1］，其具有試樣加工簡便，試驗時間短，試驗數(shù)據(jù)對材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷敏感等特點，因而成為評價金屬材料沖擊韌性的一種傳統(tǒng)力學性能試驗，被世界各國廣泛采用。夏比沖擊試驗主要用于評價材料的韌脆性、控制材料的冶金質(zhì)量、測定材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度等［2］。

不同的夏比沖擊試驗標準對沖擊試驗機、沖擊試樣、沖擊試驗程序和沖擊試驗結(jié)果處理及修約的規(guī)定不盡相同，本文介紹了三項現(xiàn)行沖擊試驗標準，即ASTM A 370—2020《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》、ASTM E 23—2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》、GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，從適用范圍、試樣要求、設備要求、試驗過程、試驗結(jié)果評定等方面進行比較，闡述了ASTM A 37 0—2020、ASTM E 23—2018和GB/T 229—2020標準之間的差異［3］。

1 適用范圍

ASTM A 370—2020、ASTM E 23—2018和GB/T 229—2020標準的適用范圍見表1。ASTM E 23標準中雖提到艾氏沖擊試驗，但由于其試樣夾持器通常為試驗機機體的一部分，不易對其進行冷卻或加熱，故不推薦在非室溫下的艾氏沖擊試驗，本文也僅討論夏比沖擊試驗方法。

表1 ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229的適用范圍

2 試樣要求

（1）缺口類型。ASTM A 370只規(guī)定了一種夏比沖擊試樣的缺口類型，即V型缺口；ASTM E 23標準中規(guī)定的夏比沖擊試樣缺口類型包括V型缺口、U型缺口以及無缺口試樣，試樣類型的選取很大程度上取決于所測試材料的特性，對于除鑄鋼之外的鋼鐵材料推薦使用夏比沖擊V型和U型缺口試樣，而無缺口夏比沖擊試樣適用于粉末冶金材料；GB/T 229中規(guī)定的夏比沖擊試樣缺口類型為V型、U型以及無缺口試樣［4］。

（2）試樣尺寸及偏差。三項標準規(guī)定的夏比沖擊全尺寸試樣的尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm，ASTM A 370規(guī)定使用缺口深度為2 mm的V型缺口［5］；ASTME 23規(guī)定使用缺口底部高度為8 mm的V型缺口，亦可使用缺口底部高度為5 mm的U型缺口；GB/T 229規(guī)定對于無缺口試樣，要求與V型缺口試樣相同（缺口要求除外）［6］。對于缺口尺寸，三項標準采用了不同的表示方法。ASTM A 370采用直接表示方法規(guī)定了缺口的深度，而ASTM E 23和GB/T 229則采用間接表示方法規(guī)定了缺口底部高度［7］。ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229中規(guī)定的全尺寸試樣大小及偏差見表2～3。

表2 ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229中V型缺口全尺寸試樣大小及偏差

表3 ASTM E 23和GB/T 229中U型缺口全尺寸試樣大小及偏差

三項標準對小尺寸試樣的規(guī)定也不相同。ASTM A 370中規(guī)定了試樣截面為10 mm×7.5 mm，10 mm×6.7 mm，10 mm×5 mm，10 mm×3.3 mm，10 mm×2.5 mm小尺寸V型缺口試樣；ASTM E 23中規(guī)定了試樣截面為10 mm×7.5 mm、10 mm×5 mm，10 mm×2.5 mm，5 mm×5 mm，5 mm×10 mm，5 mm×20 mm，3 mm×10 mm小尺寸V型缺口試樣，對于U型缺口無小尺寸試樣的規(guī)定；GB/T 229規(guī)定了試樣截面為10 mm×7.5 mm，10 mm×5 mm，10 mm×2.5 mm小尺寸V型或U型缺口試樣。另外ASTM A 370中針對管材的橫向沖擊試驗，給出了一種含原始外表面的管狀沖擊試樣，而ASTM E 23和GB/T 229中并沒有相應的規(guī)定［8］。

3 設備要求

（1）試驗機擺錘。擺錘是夏比沖擊試驗中最重要的試驗構(gòu)成元件之一。擺錘曲率半徑的不同，對同一材料的沖擊吸收能量會有影響［9］。對于低能量的沖擊試驗，一些材料用曲率半徑2 mm和8 mm擺錘刀刃試驗測定的結(jié)果有明顯不同，2 mm擺錘刀刃的結(jié)果高于8 mm擺錘刀刃的結(jié)果［10］。三項標準對擺錘刀刃的要求亦有所不同，具體見表4。

表4 ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229中擺錘尺寸及偏差

（2）支座及砧座。圖1所示為ASTM E 23標準中提供的試樣與擺錘沖擊試驗機支座及砧座相對位置，三項標準對其的不同要求見表5。

圖1 試樣與擺錘沖擊試驗機支座及砧座相對位置示意

表5 三項標準中支座及砧座尺寸及偏差

（3）試驗機校準。ASTM A 370夏比沖擊試驗部分涉及鋼制品的沖擊試驗方法以及沖擊試樣的部分取樣位置要求，關于試驗機校準要求參照ASTM E 23；ASTM E 23包括沖擊試驗方法和沖擊試驗機檢定規(guī)程兩部分［11］；GB/T 229僅涉及夏比沖擊試驗方法，沖擊試驗機檢定規(guī)程按照JJG 145—2007《擺錘式?jīng)_擊試驗機》執(zhí)行。兩項試驗機檢定規(guī)程均規(guī)定了直接檢定方法和間接檢定方法，但在具體的檢定要求方面有所不同，使用時應加以區(qū)分［12］。

4 試驗過程

（1）試樣保溫。ASTM A 370、ASTM E 23、GB/T 229在試樣保溫上的規(guī)定有所不同，具體見表6。GB/T 229—2007中規(guī)定：對于試樣從高溫或低溫裝置中移出至打擊時間在3～5 s的試驗，可采用過冷或過熱試樣的方法補償溫度損失。但GB/T 229—2020中取消了有關溫度補償?shù)南嚓P要求。

表6 試樣保溫要求對比

（2）試樣轉(zhuǎn)移。三項標準對試樣轉(zhuǎn)移的規(guī)定一致，均規(guī)定：試樣從高溫或低溫裝置中移出至打擊的時間應不大于5 s，轉(zhuǎn)移裝置（對中鉗）應與試樣一起加熱或冷卻；若超過5 s，則應將試樣重新加熱或冷卻［13］。GB/T 229中規(guī)定當室溫或儀器溫度與試樣溫度之差小于25℃，試樣轉(zhuǎn)移時間應小于10 s。

5 試驗結(jié)果評定

對于剪切面積百分比的測定，ASTM A 370給出了4種測定方法：①測量斷口解理斷裂部分的長度和寬度，計算剪切斷面率；②使用標準斷口形貌圖與試樣斷口的形貌進行比較；③將斷口放大，并與預先制好的對比圖進行比較，或用求積儀測量剪切斷面率；④斷口拍成放大照片，用求積儀測量剪切斷面率。ASTM E 23和GB/T 229中除了上述4種方法外，還提供了第5種方法，即用圖像分析技術測量剪切斷面率［14］。ASTM A 370和GB/T 229標準中還介紹了韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測定，而ASTM E 23并沒有相關內(nèi)容的描述。試驗結(jié)束后，須對試驗數(shù)據(jù)進行處理，ASTM A 37 0、ASTM E 23和GB/T 229對試驗數(shù)據(jù)的處理要求對比見表7。

表7 試驗數(shù)據(jù)的處理要求

6 結(jié) 語

從適用范圍、試樣要求、設備要求、試驗過程、試驗結(jié)果評定等方面對ASTM A 370、ASTM E 23、GB/T 229等標準進行了系統(tǒng)介紹，通過對比夏比沖擊試樣缺口類型、擺錘刀刃半徑、溫度補償以及未完全斷裂試樣等方面的差異，有助于試驗人員正確理解和使用標準。