沖擊試樣缺口加工對(duì)性能的影響

田廣明

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276806）

1 前言

金屬材料的沖擊力學(xué)性能指標(biāo)是通過對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)獲得的。沖擊試樣的加工，包括缺口的尺寸和精度都非常重要，會(huì)直接影響力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果。一般來說，如果嚴(yán)格按照測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的要求來生產(chǎn)樣品并通過了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，那么試樣加工對(duì)力學(xué)性能的影響就可以降到最低水平。因此在進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)以前，必須嚴(yán)格檢查試樣的狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼材的低倍缺陷越靠近中心缺陷越多，如一般疏松、偏析等。一般鋼材越靠近外表面低倍組織越好。為了考核鋼材較差的部位能達(dá)到力學(xué)性能沖擊韌性的指標(biāo)，從缺口加工質(zhì)量和加工位置兩大方面進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

2 沖擊試樣缺口加工對(duì)性能的影響

2.1 缺口加工尺寸的影響

采用Q355B 和SPA-H 各一塊鋼板試料，相同工藝設(shè)備加工的V型缺口沖擊試樣，規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm。按照缺口深度、缺口根部曲率半徑、缺口角度的不同，依次分別挑選出20 個(gè)樣品，要求加工精度保持一致，在相同溫度（室溫）下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)方法按照GB/T 229—2020 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法。

（1）缺口深度對(duì)沖擊功的影響：測(cè)量10 組Q355B 樣品缺口深度為1.790、1.992、1.980、2.022、1.956、1.948、1.935、1.896、1.856、1.843 mm，對(duì)應(yīng)的沖擊功數(shù)值為124、101、99、98、109、109、111、115、116、114 J。測(cè)量10 組SPA-H 樣品缺口深度為1.852、2.026、1.978、2.012、1.926、1.941、1.848、1.886、1.872、1.805 mm，對(duì)應(yīng)的沖擊功數(shù)值為62、48、51、47、53、53、60、56、57、69 J。

（2）缺口根部曲率半徑對(duì)沖擊功的影響：測(cè)量10 組Q355B 樣品缺口根部曲率半徑為0.234、0.263、0.251、0.239、0.241、0.246、0.248、0.261、0.254、0.258 mm，對(duì)應(yīng)的沖擊功數(shù)值為97、126、113、101、104、108、111、119、115、116 J。測(cè)量10 組SPA-H 樣品缺口根部曲率半徑為0.252、0.261、0.246、0.238、0.249、0.258、0.254、0.234、0.242、0.264 mm，對(duì)應(yīng)的沖擊功數(shù)值為63、68、58、52、58、66、65、49、56、71 J。

（3）缺口角度對(duì)沖擊功的影響：測(cè)量10 組Q355B 樣品缺口角度為43°52′、46°58′、45°56′、46°32′、46°18′、45°38′、45°16′、43°12′、44°11′、44°51′，對(duì)應(yīng)的沖擊功數(shù)值為108、126、118、124、122、115、115、102、112、114 J。測(cè)量10 組SPA-H 樣品缺口角度為44°38′、45°53′、47°11′、45°11′、46°48′、45°21′、46°22′、43°09′、44°13′、43°51′，對(duì)應(yīng)的沖擊功數(shù)值為45、50、58、49、55、48、52、39、43、41 J。

通過大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：沖擊試樣缺口深度增加，沖擊吸收功相應(yīng)減小；相反，沖擊試樣缺口根部曲率半徑增加、缺口角度增加，沖擊吸收功相應(yīng)也增加。

2.2 加工精度對(duì)沖擊功的影響

準(zhǔn)備Q355B 和SPA-H 各一塊鋼板試料，采用相同工藝設(shè)備加工的V 型缺口沖擊試樣，規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，使用粗糙度儀檢測(cè)挑選出1.6、3.2、6.3 μm 各3 組。牌號(hào)Q355B 沖擊功數(shù)值分別為124、120、122、118、120、122、116、118、114 J；牌號(hào)SPA-H 沖擊功數(shù)值分別為62、60、63、57、59、60、60、55、57 J。

由試驗(yàn)結(jié)果可見，隨著缺口底部表面粗糙度增加，沖擊功數(shù)值相應(yīng)減少。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020對(duì)V型缺口的加工精度提出了要求，仔細(xì)制備試樣缺口，以保證缺口根部半徑?jīng)]有影響吸收能量的加工痕跡。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，缺口底部表面粗糙度由1.6 μm 增加到6.3 μm 時(shí)，沖擊功均值差異分別為7.6 J 和6.3 J。本試驗(yàn)僅進(jìn)行了3 種不同粗糙度的對(duì)比，但可以認(rèn)為，隨著粗糙度的增加，沖擊功的差異將更大。這是由于缺口底部愈粗糙，劃痕愈深，就容易在較低的沖擊載荷下形成裂紋，從而使沖擊功降低。

2.3 缺口方向?qū)_擊功的影響

準(zhǔn)備一塊鋼種S355JOB型鋼試料，見圖1，采用相同工藝設(shè)備加工的V 型缺口沖擊試樣，規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm。缺口位置位于厚度方向朝向翼緣邊部和朝向翼緣內(nèi)部作對(duì)比。缺口位置位于厚度方向和位于軋制表面作對(duì)比。

圖1 型鋼取樣示意圖

（1）缺口位置位于厚度方向朝向翼緣邊部：距離邊部35 mm 位置的沖擊功數(shù)值為46、52、53 J；距離邊部50 mm 位置的沖擊功數(shù)值為35、48、44 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數(shù)值為53、42、41 J。

（2）缺口位置位于厚度方向朝向翼緣內(nèi)部：距離邊部35 mm 位置的沖擊功數(shù)值為60、61、73 J；距離邊部50 mm 位置的沖擊功數(shù)值為70、81、75 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數(shù)值為57、47、45 J。

（3）缺口位置位于厚度方向：距離邊部35 mm位置的沖擊功數(shù)值為60、59、61 J；距離邊部50 mm位置的沖擊功數(shù)值為65、59、52 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數(shù)值為46、40、52 J。

（4）缺口位置位于軋制表面方向：距離邊部35 mm 位置的沖擊功數(shù)值為25、35、22 J；距離邊部50 mm 位置的沖擊功數(shù)值為27、46、52 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數(shù)值為10、21、22 J。

通過對(duì)上面的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，缺口位置位于厚度方向朝向翼緣邊部與朝向翼緣內(nèi)部沖擊功均值相差17.2 J，缺口位于厚度方向與位于軋制表面方向沖擊功均值相差26 J，沖擊試樣缺口方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果有明顯的影響。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2975—2018 鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備規(guī)定，沖擊試樣缺口位置開在鋼板厚度方向，在工廠實(shí)際加工試驗(yàn)過程中，只保證缺口開槽位置在厚度方向上，但未具體區(qū)分缺口朝向位置。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可追溯性，沖擊試樣加工過程中，必須區(qū)分缺口位置的開槽方向。

3 結(jié)語(yǔ)

缺口根部半徑的變化實(shí)質(zhì)改變了缺口的尖銳程度，使缺口前沿的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。隨著試樣缺口角度的增加，缺口前沿產(chǎn)生的塑性變形體積增加，因而缺口根部半徑增大，沖擊吸收能量增大，反之則減小。缺口底部表面粗糙度應(yīng)優(yōu)于5 μm，隨著缺口底部表面粗糙度的增加，劃痕越深，越易導(dǎo)致應(yīng)力集中，沖擊功減小。缺口深度越大，則抵抗沖擊斷裂的體積越小，吸收能量也越小，反之則越大。試樣加工過程中，需要標(biāo)記缺口開槽方向，確保沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可追溯性。