夏比V型冲击试验的尺寸效应及工程应用

刘学政, 普晓明, 敬仕煜, 郭英俊, 李 明, 张 勇

(1. 东方电气集团 东方锅炉股份有限公司, 自贡 643001；2. 机械工业高温高压材料与焊接工程实验室, 自贡 643001)

夏比V型冲击试验广泛应用于钢制品的质量检验并形成了规范，用以评价材料(或构件)的冶金质量，特别是规定温度下材料的抗断裂能力。试验通常采用尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的标准试样，将试验结果与技术要求值进行比较后，可以判断材料是否合格。当工件受尺寸限制，不能制备标准试样时，可采用非标准小尺寸试样，且各标准或规范给出了采用小尺寸试样时要求值按有效截面积折算的方法。然而，工程实践中这样的折算方法时常被“泛化”，被误认为小尺寸试样与标准试样之间始终存在着比例关系。为此，笔者以Q245R钢板为研究对象，对不同尺寸的试样在不同温度下进行了夏比V型冲击试验，研究了夏比V型冲击试验的尺寸效应问题，同时对小尺寸试样在工程应用中主流标准处置方法以及方法之间差异等问题进行了探讨，以期为相关人员提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为正火态Q245R钢板，钢板厚度为25 mm，其化学成分(质量分数/%)为0.19C，0.28Si，0.64Mn，0.01P，0.004S，0.05Al，0.001Nb，0.014Ti，0.002V；该钢板的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为7.5级。

沿钢板横向取样，试样轴线位于钢板1/2处，V型缺口垂直于钢板表面，试样表面采用磨床磨光，缺口采用专用成形铣刀加工，缺口底部高度为(8±0.025)mm，在投影仪下50倍放大检查，加工质量需符合GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》的要求。试样共制备5组，第1组为10 mm×10 mm×55 mm标准试样(以下简称为标准试样)72个；第2～4组分别为7.5 mm×10 mm×55 mm，5 mm×10 mm×55 mm，2.5 mm×10 mm×55 mm非标准小尺寸试样(以下分别简称为7.5，5，2.5 mm小尺寸试样)各72个；第5组为取自钢板不同部位的厚度为5，2.5 mm小尺寸试样各18个。

1.2 试验方法

将上述第1～4组试样每组分成8份，每份9个试样，按GB/T 19748-2005《钢材 夏比V型缺口摆锤冲击试验 仪器化试验方法》分别在-80，-60，-40，-30，-20，0，20，40 ℃共8个温度下采用RKP450型冲击试验机对每份试样进行冲击试验。第5组两种试样各分为2份，一份在砧座上加装垫片，另一份砧座上不加装垫片，在室温下采用RKP450型冲击试验机进行冲击试验，这样一方面评估试验材料冲击韧度的均匀性，另一方面评估试样尺寸改变后，摆锤打击中心的微小变化对于试验结果的影响。

冲击试验机摆锤刀刃半径为2 mm，锤头最大冲击能量为450 J，冲击速度为5.2 m·s-1。低温冷却介质为酒精，室温以上加热介质为水，采用数显温度计测温，不给予温度补偿，试样从移出到打断的时间控制在5 s以内。试验机自动采集载荷-位移曲线，读取冲击吸收能量KV、裂纹形成能量Wi(最大力之前消耗的能量)、裂纹扩展能量Wp(最大力之后消耗的能量)等。试验后，采用游标卡尺测量试样的韧性断面率，从而得到韧脆转变温度曲线。

冲击试验的误差来源较多，试验结果可能存在离散。为尽可能减小外因干扰，试验除保证所有试样均取自于同一钢板以外，每个温度下试验9个试样，并在数据处理时去除一个最高值和一个最低值。虽然这样的处理方式欠严谨，但仍可视为减少试验误差的简单方法。

2 试验结果

2.1 第1～4组试样冲击试验

图1为不同尺寸试样的冲击吸收能量和裂纹形成能量随温度变化的手工拟合曲线。表1给出了不同尺寸试样在不同温度下冲击吸收能量的平均值,以及小尺寸试样与标准试样的冲击吸收能量比值。

图1 不同尺寸试样的冲击吸收能量和裂纹形成能量随温度的变化曲线Fig.1 The curves of impact absorption energy and crack formation energy of different size samples with temperate

图2为不同尺寸试样的韧脆转变温度曲线。由图2可以看出，厚度为10，7.5，5，2.5 mm试样的韧脆转变温度(FATT50)分别为-10，-16，-20，-42 ℃。

表1 不同尺寸试样的冲击吸收能量Tab.1 Impact absorption energy of samples with different sizes

注：KV10，KV7.5，KV5，KV2.5分别为标准试样和7.5,5,2.5 mm小尺寸试样的冲击吸收能量。

图2 不同尺寸试样的韧脆转变温度曲线Fig.2 Ductile-brittle transition temperature curves ofsamples with different sizes

2.2 第5组试样冲击试验

由表2所示的第5组两种尺寸试样在是否加装砧座垫片情况下的室温冲击试验结果对比可以看出，试验钢板的冲击韧度均匀性较好，这说明上述试验结果更具有可信性。

表2 第5组试样的室温冲击试验结果Tab.2 Impact test results of No.5 group samples at room temperature

3 分析与讨论

3.1 冲击吸收能量与试样截面积

由表1可以看出，7.5，5，2.5 mm小尺寸试样与标准试样冲击吸收能量的比值与试样截面积比值没有明显的对应关系。在部分温度下，小尺寸试样的冲击吸收能量为标准试样的1.7～2倍，这是因为随着试样尺寸减小，其韧脆转变温度曲线向低温方向移动，如图2所示。在相同的试验温度下，当小尺寸试样尚处于韧性断裂状态时，尺寸较大试样已转变或部分转变为脆性状态，这使得小尺寸试样的冲击吸收能量更高。当试验温度进一步降低后，小尺寸试样与标准试样冲击吸收能量的比值下降，这也是由韧脆转变所导致。此时，小尺寸试样也变为脆性状态，其冲击吸收能量降速加快。ASTM E23：2016StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMetallicMaterials规定：“不同尺寸试样获得的冲击吸收能量一般不可换算”，这与上述试验结果一致。

图3 经换算处理的冲击吸收能量-温度曲线Fig.3 KV-t curves processed by conversion

需要注意的是，对于厚度为5 mm及以下的试样，在相对高的试验温度下，其与标准试样冲击吸收能量的比值要低于或远低于截面积比值。在工程实践中，有时会要求上平台值或者某一更高冲击值，此时采用不同尺寸试样，其结果可能大相径庭。如采用标准试样合格，而小尺寸试样却不合格，从图3中也可以观察到该现象，希望有关单位对此充分理解，并尽可能针对特定材料达成共识。

另外由图1可以看出，在冲击吸收能量-温度曲线的上平台及紧邻温度区域，同一种尺寸试样在不同的温度下获得的裂纹形成能量基本恒定，不随温度变化而变化。

3.2 不同标准体系对小尺寸试样冲击试验的处置方法

根据ASME BPVC.VIII.1:2017RulesforConstructionofPressureVessels,EN 13445:2014UnfiredPressureVessels,GB 150—2011《压力容器》和NB/T 47016—2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》，小尺寸试样冲击试验的处置方法如表3所示。ASME BPVC.VIII.1:2017围绕冲击试验制定了一整套复杂的防脆断体系，而小尺寸试样处置方法仅是其中一环。

由表3可见，ASME(American Society of Mechanical Engineers，美国机械工程师学会)、EN(European Norm，欧盟)和中国三大标准体系对于小尺寸试样冲击吸收能量的技术要求，均按标准试样冲击吸收能量规定值乘以截面积百分比换算，如7.5 mm试样为标准试样的75%，5 mm试样为标准试样的50%。不同之处在于，ASME和EN标准均要求对于小尺寸试样的试验温度进行调整，且调整幅度有差异。而GB 150—2011和NB/T 47016—2011则没有类似要求。

不同尺寸试样获得的冲击吸收能量和截面积没有明确关系，而上述标准中却给出了按截面积比值进行换算的方法，其实两者并不矛盾，因为上述标准中换算问题的关键在于冲击吸收能量规定值。标准给出的换算百分比只针对特定的冲击吸收能量，即规定值。以表3中ASME BPVC.VIII.1：2017为例，只有当冲击吸收能量的规定值为27 J时，7.5 mm试样对应的冲击吸收能量为20 J，5 mm试样对应的冲击吸收能量为14 J，三者才等效，并同时作为对象材料门槛值。假如某材料采用标准试样的冲击吸收能量为100 J，则并不意味着5 mm小试样的冲击吸收能量为50 J。换言之，换算方法只对冲击吸收能量规定值有效，不具有普遍意义。换算方法是经过对给定材料专门研究后，建立的“限定关系”。冲击吸收能量实测值高于规定值则合格，材料韧性足够；冲击吸收能量实测值低于规定值，则不合格，材料存在脆断风险。所以，冲击吸收能量规定值对于设备安全至关重要，得到适宜规定值的换算关系在工程应用中具有重要意义。

ASME BPVC.VIII.1：2017和EN 13445：2014对于小尺寸试样需要调整试验温度，而GB 150—2011和NB/T 47016—2011不予调整，为明确哪种方法更合理，将图1和表1中小尺寸试样的冲击吸收能量按截面积关系换算为标准试样的冲击吸收能量，结果如图3所示。由此可得到任意指定的冲击吸收能量下不同尺寸试样所对应的试验温度。选取工程应用中最具代表性的冲击吸收能量规定值27，40，68 J，得到对应的试验温度如表4所示。

由图3可见，对于Q245R钢板，经换算后的4种尺寸试样的冲击吸收能量-温度曲线呈“蝴蝶结”状。在接近上平台及上平台区曲线松散开来，小尺寸试样特别是5，2.5 mm试样获得的冲击吸收能量(换算值)明显低于标准试样的；在接近下平台区域，4条曲线再次松散开来，此时对于同一冲击吸收能量，小尺寸试样对应的试验温度更低。

表3 不同标准对于小尺寸试样夏比V型冲击试验的处置方法Tab.3 Disposal methods of Charpy V-notch impact test of small size samples in different standards

注： 1) 冲击吸收能量规定值特指承压设备、核电装备等为防止脆断而提出的材料韧性要求值，不包含诸如原材料标准中所示的某材料应该能够达到的验收值；2)tKV为标准试样的试验温度。

表4 不同冲击吸收能量规定值下不同尺寸试样对应的冲击试验温度Tab.4 Impact test temperature corresponding to different size samples under specified value of the different impact absorption energy

由表4可知，对应冲击吸收能量规定值为27 J，10 mm标准试样的试验温度为-35 ℃，7.5，5，2.5 mm试样的试验温度比标准试样的分别低9，18，35 ℃。因此可知冲击吸收能量规定值为27 J是材料或构件是否合格的门槛值，为了达到“同等严厉程度”考核，在选用小尺寸试样时应降低试验温度。对于冲击吸收能量规定值为40，68 J时，试样的情况基本相似且试验温度差有减小趋势。

对比表3和表4可以发现，试样的试验温度差与ASME BPVC.VIII.1：2017和EN 13445：2014给出的调整温度存在差异，分析认为这是正常现象，有助于理解“建立限定关系”这一复杂过程。

金属材料的冷脆及韧脆转变是一个复杂的问题[1-2]。对于具有明显冷脆倾向的碳钢及中低合金钢，当钢号不同或者同一牌号钢材的化学成分和制造工艺存在差异时，材料的韧脆转变行为会发生变化。如冲击吸收能量-温度曲线的韧脆温度区间、冲击吸收能量上下平台区间、曲线沿温度位置变化等均可能存在差异，这些差异将传递给小尺寸试样，使采用小尺寸试样来评价韧性的问题变得更复杂。要想得到适宜众多材料的可靠的小尺寸试样调整试验温度的标准，就必须积累大量试验数据，综合考虑构件服役条件下脆断的内因和外因，并达成某种“妥协”，最终确立适宜工程应用的简单、有效的方法。表4中的试验数据仅代表个体，可视为众多材料有关数据样本之一，并作为ASTM E23:2016中“建立限定关系”这一复杂过程的佐证。

由上述分析可知，ASME BPVC.VIII.1：2017和EN 13445：2014对于小尺寸试样给予调整温度的方法是合理的，尽管两者调整幅度有所差异，但方向是正确的。而GB 150—2011和NB/T 47016—2011对于小尺寸试样不予调整试验温度，则可能导致其所代表构件的韧性被高估，建议在今后修订相关标准时，参考ASME BPVC.VIII.1：2017或EN 13445：2014调整试验温度的方法。

3.3 不同尺寸试样的韧脆转变温度FATT50

韧脆转变温度(FATT50)是冲击试样断口上韧性断面与晶状断面各占50%对应的温度，在工程上被广泛应用。随着试验温度降低，试样的冲击吸收能量减小，缺口底部“指甲状”韧性区宽度减小，对应“稳定扩展”的“临界裂纹尺寸”减小，晶状断面增加且韧性断面减少。因此，韧性断面或晶状断面的变化，对应了冲击吸收能量的变化，并很容易从冲击试验的力-位移曲线来识别。

由图2可知，不同试样的韧脆转变温度曲线基本平行排列，随着试样尺寸的减小，韧脆转变温度曲线向低温方向移动。这是因为小尺寸试样缺口底部应力状态更“软”(更倾向于平面应力状态)，试样缺口前沿三向拉应力状态改善[3]，从而促进韧性断裂，推迟了脆性转变，导致韧脆转变温度曲线向低温方向移动。如图2中2.5 mm试样在-20 ℃时仍处于上平台区，而标准试样此时已进入转变区。由此可见，小尺寸试样的FATT50更低，不同尺寸试样的FATT50不能直接比较。

3.4 试样尺寸改变导致的摆锤打击中心微小变化

摆锤是冲击试验机的关键部件，其特征参数如能量、摆长、质心和打击中心决定了使用性能。文献[4]阐述了四者的相互关系，并认为打击中心的变化可能导致锤杆变形或者转轴处产生较大附加压力而发生能量损失。试样尺寸导致的打击中心微小变化仅指与标准试样相比。试样厚度的改变导致打击中心在摆锤刃口上轴向延长，没有发生打击中心偏离试样缺口轴线的情况。GB/T 229—2007认为对于低能量冲击试验，使用垫片调整到与标准试样同样的打击中心非常重要；而对于高能量冲击试验，垫片不是十分重要。

由表2可知，无论是否加装垫片试验结果均较稳定，与GB/T 229—2007所述不够吻合。从工程应用角度看，根据上述试验结果，可认为试样尺寸改变导致的摆锤打击中心微小变化对于试验结果基本没有影响，加装或不加装垫片没有区别。

4 结论与建议

(1) 不同尺寸试样的冲击吸收能量一般不可换

算，且与试样截面积没有对应关系。当试验温度较低时，小尺寸试样的冲击吸收能量可能远高于标准试样的，这可能导致材料韧性被高估；当试验温度较高时，小试样与标准试样之间冲击吸收能量的比值也可能明显低于两者截面积之比。

(2) 不同尺寸试样获得的韧脆转变温度FATT50数据不可直接比较，随着试样尺寸减小，韧脆转变曲线向低温方向移动。

(3) 试样尺寸的变化可导致摆锤打击中心的微小改变，但未发现其对试验结果产生影响。

(4) 当前相关标准给出的不同尺寸试样按截面积换算冲击吸收能量的方法，只针对规定值，是给定材料经专门研究后建立的限定关系。该方法不宜理解为不同尺寸试样试验结果之间的必然联系。

(5) ASME和EN标准体系对于小尺寸试样调整试验温度是合理的，建议国内修订相关标准时参考该处置方式。