冲击试验的若干问题分析

冲击试验的若干问题分析

胡荣

首钢迁钢公司，河北迁安（064404）

E-mail：qghr@https://www.360docs.net/doc/7b15606589.html,

摘要：冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。冲击功能够直观反应材料的冲击韧性，而夏比冲击能与温度的关系图可以确定测试钢种的韧性向脆性转变的温度。由于冲击试验数据容易分散，在试验的过程中，冲击试验设备、试样加工及试验过程中的问题会影响试验数据的分散。本文将从这三个方面对冲击试验中若干问题进行简单分析。

关键词：冲击试验，试验设备，试样，试验，问题，分析

冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。目前各国常用的试样为夏比V型缺口冲击试样。冲击的试验原理，自冲击试验机问世以来就一直按能量守恒定律进行设计制造冲击试验机，按摆锤打断试样后势能损失多少计算冲击功。目前，我国常用的冲击试验标准是GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》。

由于冲击过程持续时间很短，所以在服役中的构件往往会发生无预兆的突然断裂，而造成重大事故，因而研究材料在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的现实意义。

冲击试验对材料的组织缺陷很敏感，它能灵敏地反映出材料的宏观缺陷和显微组织的微小变化，因而冲击试验在材料生产上成为用来检验冶炼、热处理及热加工工艺质量的有效方法之一。又由于冲击试验加工简单，试验时间短，所以得以广泛应用。

在工厂做冲击试验的过程中，经常会碰到试验设备、试样加工及试验过程的问题而影响试验结果。本文将在冲击试验过程中碰到的问题作一简单分析。

1. 试验设备

1.1 冲击试验对试验机砧座和支座的要求

1.1.1 支座的两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。支座应使试样的轴线与摆锤轴线的平行度在3/1000以内。

1.1.2 砧座两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。支座两个支撑面所在平面和砧座两个支撑面所在平面之间的夹角应为90±0.1°。

1.1.3 砧座曲率半径1mm。曲率圆弧应与支撑面平面相切。

1.1.4 砧座之间跨距为40+0.2。[2]

1.1.5 试验前，应该检查砧座上是否沾有铁屑，如果沾有，应该及时清理。当试验机的砧座上粘有铁屑时会造成两种结果：冲击试样不能紧靠砧座；冲击试样不能准确地对中。这两种结果都会使得冲击吸收功偏大。如图1所示。[5]

图1 砧座沾有铁屑导致冲击值偏高

1.1.6 冲击试验机的砧座要经常检查，若磨损的比较严重则会对冲击吸收功产生较严重的影响，使得冲击吸收功偏低。

1.2 冲击试验机摆锤的要求

1.2.1 摆锤势能与标称能量最大允许误差为±1%。[2]

1.2.2 摆杆必须要有足够的刚度，打击时不能产生弹性形变。

1.2.3 摆轴必须有足够的刚度，摆轴是摆锤的旋转支点，如果摆轴的刚度不足，摆轴在产生弹性形变会吸收功。

1.2.4 摆锤自由下垂时，指针指向最大能量，当一次空打后，指针回零。[5]

1.3 冲击试验机冲击刀的要求

1.3.1 刀刃半径一般为2mm与8mm。

1.3.2 试验前应该检查刀刃，检查是否松动，是否被打平。如图2所示刀刃刀具导脚远大于R0.2，属于不合格刀刃。[5]

图2 不合格的冲击刀刃

1.3.3 冲击刀刃不能沾有铁屑。当摆锤刀刃上粘有铁屑时，在冲击时会使摆锤不能准确地打

在试样的正中位置，从而使得冲击吸收功偏高。

2 试样

2.1 冲击试样的表面粗糙度和尺寸精度对冲击功的影响

2.1.1 冲击试样的表面粗糙度要严格按照标准的要求：试样缺口底部应光滑，试样四个纵向

面的表面粗糙度Ra1.6μm，两端面Ra25μm。因为冲击试样的表面粗糙度对冲击功有一定的

影响，但是在通常情况下因为表面粗糙度而产生的影响是可以忽略不计的。而试样缺口处的

表面粗糙度没有达到要求会造成冲击功偏低，不能忽略不计。所以在制备试样的过程中必须

要保证试样缺口处的表面粗糙度。

2.1.2 冲击试样尺寸精度对冲击功德影响取决于尺寸偏差有多大，如果说只是几道的偏差这

对冲击吸收功不会产生大的影响，但是如果偏差过大，而试样缺口处的尺寸是精确的，这样

就使得缺口下面的高度偏大或是偏小，这样就会严重影响冲击吸收功。而缺口处的尺寸精度

对冲击吸收功有着非常严重的影响。若缺口深度偏大，则会造成冲击吸收功偏低；若缺口深

度偏小，则会造成冲击吸收功偏高。但是，缺口尺寸无论是偏大还是偏小对剪切面积的评定

都不会产生影响。

2.2 冲击试验当中，U型和V型缺口的适用情况。

在一般的老标准（80年代）当中，大多要求的是U型缺口；新标准，大多要求的是V

型缺口。

U型缺口试样的缺口较浅，缺口底部的弧度半径较大，较易制作，这种试样应力集中作

用不太强，应力分布状态对试验时试样塑性变形的限制也不太大，所以冲击功和冲击值都较

高，脆性转变温度则较低，范围也较宽。如表1所示夏比U型缺口试样尺寸。

表1 夏比U型缺口试样尺寸

名称尺寸公差

长度55mm ±0.60mm

高度10mm ±0.05mm

宽度：

标准试样小尺寸试样小尺寸试样10mm

7.5mm

5mm

±0.10mm

±0.10mm

±0.10mm

缺口角度/ / 缺口下面的高度 8mm或5mm ±0.05mm

缺口底部半径1mm ±0.07mm 试样两端至缺口对称面的距离27.5mm ±0.30mm 缺口对称面与试样纵轴的角度90?≈±1 ?

试样相邻纵向面间的夹角90?≈±0.5 ?

上世纪70年代末，为适用《钢质海船建造规范》，又颁布了GB2106-1980金属夏比（V

形缺口）冲击试验方法。由于两种试样的缺口深度一样，而缺口底部半径不同，U型为1mm，

V型为0.25mm，因此，V型应力相对集中，当试样受到冲击时，就显得更敏感。如表2所

示夏比V 型缺口试样尺寸。

表2 所示夏比V 型缺口试样尺寸

名 称 尺 寸 公 差

长度 55mm ±0.60mm 高度

10mm ±0.05mm 宽度： 标准试样 小尺寸试样 小尺寸试样 10mm 7.5mm 5mm

±0.10mm ±0.10mm ±0.10mm

缺口角度 45? ±2?

缺口下面的高度 8mm ±0.05mm 缺口底部半径

0.25mm ±0.025mm

试样两端至缺口对称面的距离27.5mm ±0.30mm 缺口对称面与试样纵轴的角度90? ≈±1? 试样相邻纵向面间的夹角 90?

≈±0.5?

其实，冲击试验有多种试验方法，亦有不同的尺寸、不同缺口和不同形状的试样。它们应力集中作用及应力分布状态各不相同，对试验结果的影响有很大的差异，因此不能彼此比较或换算。具体选择何种缺口型式的试样，应由构件（产品）规范和材料标准确定。至于为何新标准多采用V 型试样，除上述原因外，试样加工技术的提高亦是其中之一，现在加工V 型缺口已有专用拉床，加工精度能达到规定要求。

3 试验

3.1 试样温度及温度测量

3.1.1 对于室温冲击试验，试验在室温[1]10℃～35 ℃下进行.如要求严格,在控制室温20 ℃±2℃下进行(国际标准规定23 ±5 )℃℃

3.1.2 对于高温冲击试验，试样加热至规定的试验温度,温度偏差允许±2℃。由于试样从高温炉移出,在室温环境和与支座接触,温度会降低, 按本方法结合打击时间, 需附加过热度(也应考虑过热对材料性能的影响)

3.1.3 对于低温冲击试验，试样冷却至规定温度,允许温度偏±2℃。由于试样从低温移出至室温环境和与支座接触,温度会升高, 按本方法结合打击时间，需附加过冷度。 3.1.4 试样加热或冷却所选用的热源,冷源和介质应安全,无毒,不腐蚀试样。

3.2 试样定位

3.2.1 试样缺口对称面偏离两支座对称面应不大于 0.5mm. 为能达到此要求,一般采用适合试样缺口形状的定位规. 偏离越大,冲击吸收功增加越明显[1].

3.2.2 如采用端头定位,定位杆或定位块,在定位后应退离定位点≥13mm, 以避免试样碰击到定位杆(块).

3.2.3 如在高温试验中采用端头定位,还应考虑试样热膨胀影响,按下式计算修正量[6]（包括然膨胀，总偏差在0.5mm 范围内）：

()

05.27t t l ?×=?α

式中: 半长度膨账量, 线账系数, 试验温度， 室温

3.3 试验要求

3.3.1 试验应在经校准合格的冲击试验机上进行。[1]

3.3.2 如为模拟指示冲击机,试验前,使摆锤静止处于铅垂状态,检查被动指针是否准确指示最大值。

3.3.3 试验前,空击试验,检查能量指示是否回零。如果不能回零，则能知道摆锤的仰角不在偏差范围之内或者是冲击试验机度盘相对试验机的位置发生偏离。这样能及时对试验机进行调整，保证试验的顺利进行。

3.3.4 试验前,检查支座是否紧固,测量试样跨距是否在 mm 以内(国际标准规定 )，跨距增加冲击吸收功降低。

3.3.5、试验前,检查并清除前次试验留在支座半径区并沾附着的金属屑.粘屑会附加冲吸收击功。

3.3.6 试样必须对中。如果试样不对中，这样就增大了试样对摆锤的冲击阻力，从而就会致使冲击吸收功偏高。如图3所示冲击瞬间试样轨迹[5]

图3 冲击瞬间试样轨迹图

3.3.6 试样从高温或低温环境移出,如为液体介质2s 以内打击试样, 如为气体介质1s 以内打击试样。

3.3.7 如不能满足这样的时间要求,必须在3s ～5s 打击试样,此时必须加过热或过冷度。 3.3.8 转移试样与试样接触的工具的温度应与介质温度相同.一般将转移工具置于试样加热或冷却的环境中。

3.3.9 试样移出后5s 内未被试验,应重新保温后试验。

3.4 试验结果处理

3.4.1 试验结果数据,至少保留2位有效数字。根据冲击试验机的示值辨力,数据末位保留到分辨力为单位。对于数字式,分辨力为末位跳动1个字码; 模拟式,为最小分度值的一半。[3] 3.4.2 数据不做修约。建议平均值数据可以多保留一位。

3.4.3 由于冲击试验机打击能量不足,试样未折断时,在试验数据前加大于符号 “＞”。其他情

l ?α

t 0t 5.00

402.00

40

况(指打击能量足够而未被折断情况),注明“未折断”。 [4,6]

3.4.3 不同缺口形状或不同尺寸的试样,试验结果不能直接换算[1](除非已通过试验准确获知换算关系)。

3.4.5 试验后断口显现肉眼可见裂纹(例如淬火裂纹)或缺陷(例如夹渣,缩孔,异金属,分层,气孔等),应注明。

3.4.6 试验时误操作,数据无效；试验时出现卡锤现象[1],数据无效,(数据一般偏大)。

3.5 冲击试验断口评定方法

3.5.1 对于金属夏比冲击断口形貌的测定,目前的国家标准GB/T12778-1991《金属夏比冲击断口测定方法》规定了三种方法:(1) 比较法, (2) 直接测量法, (3)放大测量法. [6]

3.5.2 结合标准规定的方法,通常采用的韧性断面率[1] (纤维断面率)评定方法有5种方法: 3.5.2.1 比较法: 采用将断口与如国际标准或美国ASTM E23标准给定的标准实物断口形貌图比较确定.

3.5.2.2 测量法: 测量断口晶状断裂部分面积的长度和宽度(作近似矩形面积)或上、下底高(作近似梯形面积),计算其面积。

3.5.2.3 放大测量法：

A. 把试样断口拍片放大，利用求积仪测量。

B. 利用低倍显微镜等光学仪器（图象分析技术）测量。

3.5.2.4 用带标尺的方孔卡片法、网格卡片法。

3.5.3 夏比冲击断口形貌的评定,其准确度并不很高.按照英国标准 BS 131-5:1965《结晶度的测定》提示,前述的“比较法”法,对于有经验的操作人员能达到约10%的准确度,而其他几种方法准确性相对高些. 但比较法简单方便。图4所示管线钢L555MB的冲击试样在-20℃的条件下打断的试样断口。

图4 冲击试样断口（L555MB, -20℃）

在做冲击试验的过程中，试验设备、试样及试验过程都会影响试样数据的稳定性。每当我们做一组冲击试验的时候发现试验数据分散比较严重，就应该考虑是哪些方面出现了问题影响了数据的稳定性。以上是我在工作中总结出的一些问题，并作了简单的回答。在此，特别要感谢国家钢铁研究总院测试所对本文提供的帮助。

参考文献

[1]梁兴邦/李久新，GB/T229-1994 金属夏比冲击试验方法，中国标准出版社，北京，1994

[2]郭永祥等，GB/T3808-2002 摆锤式冲击试验机的检验，中国标准出版社，北京，2002

[3]吴传义，GB8170-87 数值修约规则，中国标准出版社，北京，2006

[4] 梁兴邦/李久新，《GB/T229-1994 金属夏比冲击试验方法》实施指南，中国标准出版社，北京，2006

[5]王春华，摆锤式冲击试验机的检定，中实国金国际实验室能力验证研究中心，2007

[6]张庄，YJL006金属韧性试验技术，中实国金国际实验室能力验证研究中心，2007

Analyse some questions about impact test

Hu Rong

Shougang Qian’an Steel&iron Co.,Ltd，Qian’an，Hebei (064404)

Abstract

Impact test is the indispensability test item. The impact power can response the material’s tenacity, and power & temperature chart can confirm the material’s temperature which is changed from tenacity to brittleness. Because the data are very instability. In testing process, the testing equipment, the sample and the testing process can affect the data’s stability. The article will Analyse some questions about impact test.

Keywords：impact test，testing equipment，sample，test，question，analyse