夏比冲击试验方法对比

2021-11-30朱斌燕

钢管 2021年4期

陈松，朱斌燕

（华油钢管有限公司扬州分公司，江苏扬州 225000）

夏比冲击试验是评价冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力的试验方法［1］，其具有试样加工简便，试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷敏感等特点，因而成为评价金属材料冲击韧性的一种传统力学性能试验，被世界各国广泛采用。夏比冲击试验主要用于评价材料的韧脆性、控制材料的冶金质量、测定材料韧脆转变温度等［2］。

不同的夏比冲击试验标准对冲击试验机、冲击试样、冲击试验程序和冲击试验结果处理及修约的规定不尽相同，本文介绍了三项现行冲击试验标准，即ASTM A 370—2020《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》、ASTM E 23—2018《金属材料缺口试样标准冲击试验方法》、GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，从适用范围、试样要求、设备要求、试验过程、试验结果评定等方面进行比较，阐述了ASTM A 37 0—2020、ASTM E 23—2018和GB/T 229—2020标准之间的差异［3］。

1 适用范围

ASTM A 370—2020、ASTM E 23—2018和GB/T 229—2020标准的适用范围见表1。ASTM E 23标准中虽提到艾氏冲击试验，但由于其试样夹持器通常为试验机机体的一部分，不易对其进行冷却或加热，故不推荐在非室温下的艾氏冲击试验，本文也仅讨论夏比冲击试验方法。

表1 ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229的适用范围

2 试样要求

（1）缺口类型。ASTM A 370只规定了一种夏比冲击试样的缺口类型，即V型缺口；ASTM E 23标准中规定的夏比冲击试样缺口类型包括V型缺口、U型缺口以及无缺口试样，试样类型的选取很大程度上取决于所测试材料的特性，对于除铸钢之外的钢铁材料推荐使用夏比冲击V型和U型缺口试样，而无缺口夏比冲击试样适用于粉末冶金材料；GB/T 229中规定的夏比冲击试样缺口类型为V型、U型以及无缺口试样［4］。

（2）试样尺寸及偏差。三项标准规定的夏比冲击全尺寸试样的尺寸均为10 mm×10 mm×55 mm，ASTM A 370规定使用缺口深度为2 mm的V型缺口［5］；ASTME 23规定使用缺口底部高度为8 mm的V型缺口，亦可使用缺口底部高度为5 mm的U型缺口；GB/T 229规定对于无缺口试样，要求与V型缺口试样相同（缺口要求除外）［6］。对于缺口尺寸，三项标准采用了不同的表示方法。ASTM A 370采用直接表示方法规定了缺口的深度，而ASTM E 23和GB/T 229则采用间接表示方法规定了缺口底部高度［7］。ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229中规定的全尺寸试样大小及偏差见表2～3。

表2 ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229中V型缺口全尺寸试样大小及偏差

表3 ASTM E 23和GB/T 229中U型缺口全尺寸试样大小及偏差

三项标准对小尺寸试样的规定也不相同。ASTM A 370中规定了试样截面为10 mm×7.5 mm，10 mm×6.7 mm，10 mm×5 mm，10 mm×3.3 mm，10 mm×2.5 mm小尺寸V型缺口试样；ASTM E 23中规定了试样截面为10 mm×7.5 mm、10 mm×5 mm，10 mm×2.5 mm，5 mm×5 mm，5 mm×10 mm，5 mm×20 mm，3 mm×10 mm小尺寸V型缺口试样，对于U型缺口无小尺寸试样的规定；GB/T 229规定了试样截面为10 mm×7.5 mm，10 mm×5 mm，10 mm×2.5 mm小尺寸V型或U型缺口试样。另外ASTM A 370中针对管材的横向冲击试验，给出了一种含原始外表面的管状冲击试样，而ASTM E 23和GB/T 229中并没有相应的规定［8］。

3 设备要求

（1）试验机摆锤。摆锤是夏比冲击试验中最重要的试验构成元件之一。摆锤曲率半径的不同，对同一材料的冲击吸收能量会有影响［9］。对于低能量的冲击试验，一些材料用曲率半径2 mm和8 mm摆锤刀刃试验测定的结果有明显不同，2 mm摆锤刀刃的结果高于8 mm摆锤刀刃的结果［10］。三项标准对摆锤刀刃的要求亦有所不同，具体见表4。

表4 ASTM A 370、ASTM E 23和GB/T 229中摆锤尺寸及偏差

（2）支座及砧座。图1所示为ASTM E 23标准中提供的试样与摆锤冲击试验机支座及砧座相对位置，三项标准对其的不同要求见表5。

图1 试样与摆锤冲击试验机支座及砧座相对位置示意

表5 三项标准中支座及砧座尺寸及偏差

（3）试验机校准。ASTM A 370夏比冲击试验部分涉及钢制品的冲击试验方法以及冲击试样的部分取样位置要求，关于试验机校准要求参照ASTM E 23；ASTM E 23包括冲击试验方法和冲击试验机检定规程两部分［11］；GB/T 229仅涉及夏比冲击试验方法，冲击试验机检定规程按照JJG 145—2007《摆锤式冲击试验机》执行。两项试验机检定规程均规定了直接检定方法和间接检定方法，但在具体的检定要求方面有所不同，使用时应加以区分［12］。

4 试验过程

（1）试样保温。ASTM A 370、ASTM E 23、GB/T 229在试样保温上的规定有所不同，具体见表6。GB/T 229—2007中规定：对于试样从高温或低温装置中移出至打击时间在3～5 s的试验，可采用过冷或过热试样的方法补偿温度损失。但GB/T 229—2020中取消了有关温度补偿的相关要求。

表6 试样保温要求对比

（2）试样转移。三项标准对试样转移的规定一致，均规定：试样从高温或低温装置中移出至打击的时间应不大于5 s，转移装置（对中钳）应与试样一起加热或冷却；若超过5 s，则应将试样重新加热或冷却［13］。GB/T 229中规定当室温或仪器温度与试样温度之差小于25℃，试样转移时间应小于10 s。

5 试验结果评定

对于剪切面积百分比的测定，ASTM A 370给出了4种测定方法：①测量断口解理断裂部分的长度和宽度，计算剪切断面率；②使用标准断口形貌图与试样断口的形貌进行比较；③将断口放大，并与预先制好的对比图进行比较，或用求积仪测量剪切断面率；④断口拍成放大照片，用求积仪测量剪切断面率。ASTM E 23和GB/T 229中除了上述4种方法外，还提供了第5种方法，即用图像分析技术测量剪切断面率［14］。ASTM A 370和GB/T 229标准中还介绍了韧脆转变温度的测定，而ASTM E 23并没有相关内容的描述。试验结束后，须对试验数据进行处理，ASTM A 37 0、ASTM E 23和GB/T 229对试验数据的处理要求对比见表7。