宋秀文

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

摘 要:從試驗(yàn)原理、試樣要求、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序、沖擊試驗(yàn)結(jié)果處理及報(bào)告等方面對(duì) GB/T 229-2007,ENISO148-1:2016,ASTM E23-18等3個(gè)金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了 分析 和 對(duì) 比。結(jié) 果 表 明:GB/T229-2007 和 ENISO 148-1:2016 的 內(nèi) 容 基 本 相 同;ASTM E23-18沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相比 GB/T229-2007和ENISO148-1:2016,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)。

關(guān)鍵詞:夏比沖擊試驗(yàn);標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比;試樣要求;試驗(yàn)設(shè)備 中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2021)02-0045-04

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ISO148-1:2006《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 ENISO 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》。ISO148-1:2016 被歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委 員會(huì)(CEN)批準(zhǔn)為 ENISO148-1:2016,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,ENISO 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× 55mm 及 10 mm×5 mm×55mm 及 10 mm× 2.5mm×55mm 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× 6.7mm×55mm 及10 mm×3.3 mm×55 mm 兩 種類型的試樣。GB/T229-2007和 ENISO148- 1:2016 中 U 型 缺 口 小 試 樣 尺 寸 有 10 mm × 7.5mm×55mm 和10mm×5mm×55mm 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0.25mm,缺口深度均為2mm;U 型缺 口根部半徑均為1mm,缺口深度 ASTM E23-18 和 ENISO148-1:2016均為5mm,但 GB/T229- 2007還增加了深度為2mm 的缺口試樣,另外JB/ T6397-2006《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3mm 的沖擊 試樣,在國(guó)標(biāo)沖擊試驗(yàn)中 U 型缺口深度為2mm 和 3mm 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/T229 -2007和 ENISO148-1:2016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。

2.2 試樣的表面粗糙度要求

GB/T229-2007 和 ENISO148-1:2016 要 求 試 樣 表 面 粗 糙 度 Ra 應(yīng) 優(yōu) 于 5μm,端 部 除 外 ;ASTM E23-18 要 求 粗 糙 度 在 缺 口 表 面 和 背 面 小 于 等 于 2μm,在 其 他 兩 個(gè) 表 面 小 于 等 于 4μm。

3 試驗(yàn)設(shè)備

3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使用的擺錘式沖 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 2mm 和8mm 兩種,而大多數(shù)情況下,GB/T229- 2007和 ENISO 148-1:2016 沖 擊 試 驗(yàn) 規(guī) 定 使 用 2mm 錘刃,ASTM E23-18 沖 擊 試 驗(yàn) 規(guī) 定 使 用 8mm 錘刃;GB/T229-2007 和 ENISO 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/T229-2007和 ENISO 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≤0.1μm,GB/T229-2007和 ENISO148-1: 2016未對(duì)錘刃及砧座表面粗糙度進(jìn)行規(guī)定。總體 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。 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/T229-2007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15J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/T229-2007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%。 ENISO148-1:2016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 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/T229-2007 和 ENISO148-1:2016 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/T229-2007 和 ENISO148-1:2016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。 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 20min,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10min,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。 ENISO148-1:2016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30min。總體來(lái)說(shuō) GB/T229-2007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5s,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 ENISO148- 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 10s。其中 GB/T229-2007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3~5s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/T229-2007中規(guī)定,沖擊吸收能量應(yīng)至少 估讀到0.5J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,ENISO 148-1: 2016和 ASTME23-18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 ENISO148-1:2016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。 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 ENISO148-1:2016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 ENISO 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 型,下標(biāo)2和8表示錘刃半徑,如 KV2 表示 V 型缺 口試樣在2mm 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ISO148-1,只是源自ISO148-1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。

來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)