GB/T 229—2020金属材料夏比摆锤冲击试验方法简析和与美标的对比

揭辉经 张 晔 苏忠亮

夏比（Charpy）摆锤冲击试验是用于材料在冲击载荷下试样破断过程中吸收能量的能力的一种试验方法。它主要用于评价金属材料的冲击韧性，由于其试验时间短，试样加工简便，材料组织结构、冶金缺陷等对试验结果影响大，因而成为一种被广泛接受的力学性能试验方法[1,2]。

从1963年起，我国就制定了第一版“夏比摆锤冲击试验方法”的方法标准。2021年4月1日，最新版本GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》[3]在我国开始实施。标准内容较前一版有了一定程度的技术变化，其中主要包括：①增加了无缺口试样及相应要求；②增加摩擦损耗的测定；置及试样制备》[5]。对应于美标，其冲击试验标准由ASTM A370—19、ASTM A673—17和 ASTM E23—18组成[6-8]。ASTM A370—9规定了钢产品的冲击试验方法；ASTM A673—17规定了冲击试样的取样位置和方向；ASTM E23—18规定了金属材料缺口冲击试验的试验方法。

在本文中，将对新实施标准GB/T 229—2020的主要内容进行简要分析，包括冲击试样、摩擦损耗、试验温度、冲击结果以及试验报告内容等，并结合相对应的美国标准（以下简称美标）内容进行分析。

冲击试样

1.冲击试样的尺寸与偏差

GB/T 229—2020方法适用于V型、U型和无缺口试样的冲击试样。由于大部分钢产品要求V型缺口冲击试验，因此在此部分以讨论在V型缺口时的标准试样尺寸要求与偏差为例。

从表1可以看出，美标在厚度、缺口角度、韧带宽度、试样相邻纵向面间夹角和表面粗糙度的允许偏差上都有更为严格的要求。而在长度和缺口对称面-端部距离这2项中2种标准有着不同的要求。

表1 V型缺口标准试样的尺寸与偏差

除了带缺口试样外，新版本的国标还增加了无缺口试样。对于无缺口试样，尺寸与偏差的要求与V型缺口试样相同（缺口要求除外）。而在美标中，对无缺口试样有更为详细的说明。首先，通常认为粉末冶金材料适合使用无缺口试样。其次，这一类材料的冲击试验结果受试样方向的影响较大，因此详细规定了冲击的方向。最后，对无缺口试样的尺寸偏差要求也单独进行了规定，较缺口试样的要求更为宽松。

2.试样的取样与制备

GB/T 229—2020中规定试样的取样除了按相关产品标准之外，还应按GB/T 2975的规定进行。GB/T 2975—2018中规定了各类产品的取样位置，包括型钢、棒材、钢板和管材。试样的制备过程中应减少任何可能导致材料发生改变的影响（比如加热或冷作硬化）。

ASTM E23—18中试样的取样位置按ASTM A673—17的规定执行，与GB/T 2975的规定相类似。但是由于使用的产品具体情况有所差别，因此不在本文中一一描述。而对于试样的制备过程，美标仅对热处理材料进行了描述：当需要评价热处理对材料性能的影响时，则要在热处理完成后进行制备工序（包括开缺口），除非能证明缺口试样在热处理前后冲击性能是一致的。

3.试样的标记

GB/T 229—2020中规定试样的标记可以标在不与支座、砧座及摆锤锤刃接触的试样表面上。由于标记造成的塑性变形和表面不连续性不应对吸收能量产生影响。另外，对于具体用于做标记的手段没有详细的规定。

在美标中一致性标记可以被标在以下几个位置：①试样两端10mm⋆10mm的端面处；②当试样放置在砧座上时试样朝上的面；③缺口的背面。在所有面中，缺口中心线10mm范围内均不允许有标记。永久性记号笔、激光雕刻、静电笔等合理手段都可以用于标记。但是方法使用不正确会导致试样受损，比如静电笔产生的过热或者打钢印造成的变形均会影响结果。

试验过程

1.摩擦损耗的测定

新版本的GB/T 229在试验程序中新增了摩擦损耗的测定。较之前的版本，摩擦损耗的测定没有在方法标准中规定，只有在检定规程中有规定。而新版本中，需要在每天开始试验之前对摩擦损耗进行测定，以此来确保试验仪器处于一个较好的状态中。

2份标准中对摩擦损耗测定方法的描述几近相同。首先升起摆锤至锁定位置。在无样品安装的情况下，移动指针至零位处后释放摆锤。然后让摆锤自由摆动5个周期（摆锤向前和向后合起来算1个周期）。在第六个周期向前摆动之前，将指针拨动到约满量程的5%位置（美标中规定5%～10%）。在第六个周期向前摆动完成后记录下指针数值，并转换为吸收能量值。将该能量值除以10后，再除以量程值乘以100即可得摩擦损耗及风阻损耗的百分比。GB/T 229—2020中规定摩擦损耗不应超过量程值的0.5%，若超过此限制的话，则应考虑清洁或更换轴承。而在ASTM E23—18中，该摩擦损耗的百分比不能超过量程的0.4%，且与之前测定的损耗百分比之间差距不能超过10%。因此美标在对摩擦损耗的规定上较国标的要求更为严苛。

2.试验温度的要求

GB/T 229—2020中规定冲击试验应在23℃±5℃（室温）进行。对于试验温度有规定的冲击试验，试样温度应控制在规定温度±2℃范围内进行。

对于试验温度有规定的冲击试验，试样通常放在液体介质或者气体介质中冷却或加热。使用液体介质时，液体介质温度应控制在规定温度±1℃以内，并且在介质中至少保持5min。使用气体介质时，介质温度应控制在规定温度±1℃以内，并且在介质中至少保持30min。试样从高温或低温介质中移出至打断的时间应控制在5s以内（当室温或仪器温度与试样温度差小于25℃时，可以延长转移时间至10s以内）。

ASTM E23—18中规定室温条件下冲击试验应在20℃±5℃下进行。有规定试验温度时，应保持试样温度在规定温度±1℃以内。当使用液体或气体介质时，保持时间和温度控制要求均与国标要求相同。另外，有特别指出转移试样的设施（如夹钳）应同样放在介质中保持至少5min，并在试验的间隙将设施放在介质中。从上述规定中可以看出，美标对温度控制的要求较国标更为严格，并且通过对夹持设施的规定，尽可能地减少试样在转移过程的温度改变。

3.冲击结果的处理

当冲击试验完成后，需要对吸收能量、试样是否断裂、是否卡锤和试样标记处是否明显变形进行判断和处理。

（1）对吸收能量的判断

GB/T 229—2020中规定吸收能量上限应不能超过满量程的80%。如果超过此限制，结果应在报告中报告为近似值并注明超过了试验机能力的80%。在美标中，这一判断是一致的。

（2）试样未完全断裂的情况

在国标中，当试样未完全断裂时，应在其他非材料验收试验报告中注明情况。若试验机能力不足且测定的吸收能量超出能力范围时，则不能报出吸收能量，且应注明吸收能量超出试验机能力上限。而ASTM E23—18规定在遇到试样未断裂的情况时，报告中应先注明未断裂，然后判断其吸收能量是否超过试验机的80%。若吸收能量不超过80%，则在报告中可以使用该结果，但需要注明其试样是未断裂的；若吸收能量超过80%，且试样完全通过了砧座，则报告其结果为近似值，不与其他试验结果一同计算平均值；若吸收能量超过80%，但试样未通过试验机砧座时，则可以判断并报出吸收能量超过试验机范围。

（3）试样卡锤的情况

试样发生卡在试验机的情况时，试验结果无效，且需要检查是否造成影响其校准状态的损伤。这一处理在两种标准中是描述一致的。

（4）试样标记处的检查

GB/T 229—2020中规定在断后试样的标记处若发现明显变形，试验结果可能不代表材料的性能，并且应在试验报告中注明。由于标记处发生变形，表明试样的标记已经造成了表面的不连续性，影响了其吸收能量。

试验报告

GB/T 229—2020中较旧版本中新增了部分报告内容，其中含有必要的内容（即试样是否破断的描述）和可选的内容（即直接和间接校准日期和测量不确定度）。目前国标所含有的报告内容已经完全涵盖了美标所描述的报告内容。

对于冲击吸收能量的修约，GB/T 229—2020中要求应估读到0.5J或0.5个分度单位，且应至少保留两位有效数字。ASTM A370—19中则规定修约到ft－lbf(J)。

总结

通过对中国和美国关于冲击试验标准的比较分析，发现两者在冲击试样、冲击试验机、试验过程和报告内容均有相似之处。但是从具体的细节来看，美标对试样尺寸偏差、试验机的稳定性和试验温度的控制上均有更为严格的要求；在无缺口试样的适用描述、试样制备、试样标记和试验结果处理的描述更为详尽。虽说国标与美标在要求的严苛性和描述的完整性上还有一定差距，但GB/T 229—2020在此次更新中进行了一定的技术指标变化，弥补了一些以往版本的不足。对于检测机构而言，执行不同国家的检测方法，不仅要求对试验过程有了解，还需要认识到对试验机和其他相应设施要求的不同。