宋秀文

(大連大重檢測技術服務有限公司,大連 116031)

摘 要:從試驗原理、試樣要求、試驗設備、試驗程序、沖擊試驗結果處理及報告等方面對 GB/T 229-2007,ENISO148-1:2016,ASTM E23-18等3個金屬材料夏比沖擊試驗方法標準進行了 分析 和 對 比。結 果 表 明:GB/T229-2007 和 ENISO 148-1:2016 的 內 容 基 本 相 同;ASTM E23-18沖擊試驗標準相比 GB/T229-2007和ENISO148-1:2016,在試樣尺寸及設備尺寸公差 方面要求更為嚴格,相關的試驗規定也更加詳細。

關鍵詞:夏比沖擊試驗;標準對比;試樣要求;試驗設備 中圖分類號:TG115 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)02-0045-04

工程機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方法,按其 服役工況有夏比沖擊試驗、艾氏沖擊試驗及沖擊拉 伸試驗等。其中夏比沖擊試驗因其試樣加工簡便、 試驗時間短,試驗數據對材料組織結構、冶金缺陷等 敏感而成為評價金屬材料沖擊韌性應用最廣泛的一 種傳統力學性能試驗,也是評定金屬材料在沖擊載 荷下韌性的重要手段之一[1-2]。 隨著我國同歐美國家在工業、科技和貿易等方 面合作日益密切,很多場合都要按照歐美標準測試 金屬材料的力學性能,因此有必要將中國和歐洲及 美國有關金屬材料夏比沖擊試驗方法標準之間存在 的差異和聯系進行比對,以便試驗人員及時掌握相 應試驗標準。 中國的鋼 產 品 沖 擊 試 驗 標 準 一 般 采 用 GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,該標 準修改采用ISO148-1:2006《金屬材料 夏比擺錘沖 擊試驗 第1部分:試驗方法》。 歐洲國家 的 鋼 產 品 沖 擊 試 驗 標 準 為 ENISO 148-1:2016《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗 第 1 部 分:試驗方法》。ISO148-1:2016 被歐洲標準化委 員會(CEN)批準為 ENISO148-1:2016,且沒有任 何修改,在歐洲 CEN 成員國中執行。 美國的鋼產品沖擊試驗標準有 ASTM A370- 18《鋼 制 品 力 學 性 能 試 驗 的 標 準 試 驗 方 法》中 的 20~30部分和 ASTM E23-18《金屬材料缺口試樣標準 沖 擊 試 驗 方 法》兩 種 試 驗 方 法,由 于 ASTM A370-18用于測試鋼、不銹鋼和相關合金產品的力 學性能,并且沖擊試驗僅規定采用夏比 V 型缺口沖 擊試 樣,因 此 筆 者 對 GB/T 229-2007,ENISO 148-1:2016及 ASTM E23-18等3種標準進行了 分析與對比。

1 試驗原理

GB/T 229-2007,EN ISO 148-1:2016 及 ASTM E23-18這3個沖擊試驗標準的試驗原理 均是將規定幾何形狀的缺口試樣置于試驗機兩支座 之間,缺口背向打擊面放置,用擺錘一次打斷試樣, 測定試樣的吸收能量。

2 沖擊試樣要求

2.1 試樣尺寸要求

由表1可知,3個標準的試樣總體分類基本相 同,標準試樣均為10 mm×10 mm×55 mm,在試 樣長度中間均有 V 型或 U 型缺口。3個標準中 V 型缺 口 小 試 樣 尺 寸 均 開 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 V 型缺 口 小 試 樣 尺 寸 規 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 型缺口無小 試 樣 尺 寸 規 定。3個標準中試樣 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《大型碳素結構鋼鍛件 技術條件》附 錄 A 還規定了一種 U 型缺口深度為3mm 的沖擊 試樣,在國標沖擊試驗中 U 型缺口深度為2mm 和 3mm 的這兩種試樣較為常用。3個標準對尺寸公 差的具 體 要 求 詳 見 表 1,由 表 1 可 以 看 出 ASTM E23-18對沖擊試樣尺寸公差的要求較 GB/T229 -2007和 ENISO148-1:2016的更為嚴格。由于 沖擊試樣缺口尺寸的變化會嚴重影響試驗結果,因 此在試驗中應特別注意 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,必須使 用符合 ASTM E23-18標準的沖擊試樣樣板。

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 優 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 表 面 小 于 等 于 4μm。

3 試驗設備

3個標準使用的擺錘式沖 擊 試 驗 機 主 要 由 機 架、擺錘、鉆座、指示裝置及擺錘釋放、制動和提升機 構等組成,其基本參數、結構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個標準中試驗機錘刃半徑為 2mm 和8mm 兩種,而大多數情況下,GB/T229- 2007和 ENISO 148-1:2016 沖 擊 試 驗 規 定 使 用 2mm 錘刃,ASTM E23-18 沖 擊 試 驗 規 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 座跨距應保證(40+0.2)mm,ASTM E23-18中則 要求 砧 座 跨 距 應 保 證 (40±0.05)mm。 另 外, ASTM E23-18中規定了錘刃及砧座表面粗糙度 Ra≤0.1μm,GB/T229-2007和 ENISO148-1: 2016未對錘刃及砧座表面粗糙度進行規定。總體 來說 ASTM E23-18對試驗機的特征參數的尺寸 公差要求更為嚴格。 對于沖擊試驗機的能力范圍,3個標準規定上 限為試驗機最大能量的80%,GB/T229-2007規 定下限為試驗機最小分辨力的25倍,ASTM E23- 18規定下限為25倍的刻度或讀出裝置在15J時的 分辨力

4 試驗程序

4.1 試驗設備的準備

GB/T229-2007規定試驗前應檢查擺錘空打 時的回 零 差 或 空 載 能 耗,并 檢 查 砧 座 跨 距 (40+ 0.2)mm,回零差不應大于擺錘最大能量的0.1%。 ENISO148-1:2016規定在每天試驗前應檢查摩擦 損 耗,且 不 超 過 0.5% 的 標 稱 能 量。 ASTM E23-18規定在每天、每個班次或者每個試驗間歇 期在進行試驗之前都應對試驗機進行檢查,包括對 擺錘和支座進行目視檢查、試驗機的0刻度位置及 摩擦和風阻損耗,摩擦和風阻損耗應不超過0.4% 的被測刻度范圍,同時變化應不會超過10%的先前 設備記錄的百分比摩擦和風阻損耗測量值。

4.2 試驗溫度

對于室溫沖擊試驗溫度,GB/T229-2007 和 ENISO148-1:2016 規 定 應 在 (23±5)℃ 進 行, ASTM E23-18 規 定 應 在 (20±5)℃ 進 行,而 ASTM A370-18 則 規 定 室 溫 試 驗 溫 度 為 15~ 32 ℃。對于試驗溫度有規定的,GB/T229-2007 和 ENISO148-1:2016規定應在規定試驗溫度的±2 ℃進行,ASTM E23-18規定應在規定試驗溫 度的±1 ℃進行,具體見表3。 試樣在冷卻或加熱介質中的保持時間,GB/T 229-2007規定,當使用液體介質冷卻試樣時,試樣 應在規定溫度下保持至少5 min,當使用氣體介質 冷 卻 試 樣 時,試 樣 應 在 規 定 溫 度 下 保 持 至 少 20min,另外,對于試驗溫度不超過200 ℃的試驗, 試樣 應 在 規 定 溫 度 ±2 ℃ 的 液 池 中 保 持 至 少10min,對于試驗溫度超過200℃的試驗,試樣應在 規定溫度 ±5 ℃ 的 高 溫 裝 置 內 保 持 至 少 20 min。 ENISO148-1:2016和 ASTM E23-18規定試樣 在液體介質中至少保持5 min,在氣體介質中至少 保持30min。總體來說 GB/T229-2007對試驗溫 度的規定更為詳細。

4.3 試樣的轉移

3個標準均要求試樣從高溫或低溫裝置中移出 至打斷的時間應不大于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中規定如果環境溫度或儀器溫度與試樣溫 度之差小于25 ℃時,試樣移出至打斷時間應小于 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間為3~5s時的 溫度補償。

5 沖擊試驗結果處理及報告

5.1 數值修約

GB/T229-2007中規定,沖擊吸收能量應至少 估讀到0.5J或0.5個標度單位(取兩者之間較小值), 試驗結果至少保留兩位有效數字,ENISO 148-1: 2016和 ASTME23-18對數值修約沒有明確規定。 5.2 試樣未完全斷開的處理 試 樣 未 完 全 斷 開 時,GB/T 229-2007 和 ASTM E23-18兩個標準對試驗結果的報告情況 基本相似,其中 ASTM E23-18中對小于試驗機能 力80%的未斷開試樣,如果報 告 未 列 出 各 個 試 驗 值,則應報告未斷開試樣的百分比數及平均值,但是 ENISO148-1:2016對未完全斷開的試樣未作明確 規定。對于未斷開的試樣,3個標準給出的規定基 本相似。3個標準對試樣未完全斷裂及未斷開的報 告描述具體見表4。 隨著國內外金屬材料生產工藝的不斷提升,材 料的沖擊韌性越來越好,沖擊試驗后試樣大多數沒 有完全斷裂為兩半,而材料驗收試驗是用以評估最 低驗收要求的試驗,因此 ENISO148-1:2016對未 完全斷裂的試樣未作相關規定,此要求操作方便更 符合一般的生產制造性企業的檢測試驗需求。

5.3 沖擊吸收能量的表示

由表4可知,ASTM E23-18沒有沖擊吸收能 量的 表 示 符 號,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,其中下標 V 和 U 分別表示缺口類 型,下標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 結束語

筆者對中國、歐洲和美國沖擊試驗方法標準中 關于沖擊試驗原理、試樣尺寸、試驗設備、試驗程序 及試驗結果等方面進行了比較,并對標準中的一些 規定進行了討論。因國標(GB)和歐標(EN)沖擊試 驗標準均源自于ISO148-1,只是源自ISO148-1的 年號不同,所以 GB和 EN 沖擊試驗標準基本相同。 美標(ASTM)沖擊試驗標準相比 GB和 EN,在試樣 尺寸及設備尺寸公差方面要求更為嚴格,相關的試 驗規定也更加詳細。因此,試驗人員在采用這3個 標準時,應特別注意這3個標準的不同之處。

來源：材料與測試網