不同擺錘刀刃對管線鋼夏比沖擊試驗的影響及分析

于秀娥，代文科，孫紹廣，楊承波，王超逸

（1.鞍鋼股份公司技術中心，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份公司質檢中心，遼寧 鞍山 114021）

0 引 言

夏比沖擊試驗是金屬力學試驗中最基本的試驗方法之一，沖擊吸收能量是部分冶金產品質量標準對材料的檢驗指標之一，是評定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段[1]。試驗方法是根據夏比沖擊試驗標準的要求，將材料加工成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，用擺錘一次打擊試樣，測定試樣的吸收能量。

作為檢驗產品質量性能的試驗標準，GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》[2]近年來進行了較大的修改，標準中增加了8mm擺錘刀刃圓角半徑的規定。該文主要研究了不同沖擊擺錘刀刃錘頭對管線鋼沖擊試驗結果的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試樣

試驗采用X65管線卷板的中部，在卷板的相同部位取樣，按GB/T229-2007的要求，制成標準的10 mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣,進行系列溫度沖擊試驗。

1.2 試驗設備

分別采用擺錘刀刃圓角半徑為2 mm和8 mm的擺錘錘頭。

1.3 試驗過程

每一試驗溫度取6個沖擊試樣同時置于降溫裝置中，并在介質中保溫足夠長時間，以使試樣內部和表面達到同一試驗溫度。分別使用具有不同擺錘刀刃圓角半徑的擺錘錘頭，由一人嚴格按標準要求操作試驗，以減少人為操作誤差對試驗結果的影響。

2 試驗結果

試驗結果見表1，高能量及低能量沖擊試樣斷口形貌見圖1和圖2。

表1 不同擺錘刀刃錘頭沖擊試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 不同擺錘刀刃對沖擊吸收能量的影響

圖1 20℃時沖擊斷口形貌圖比較

圖2 -90℃時沖擊斷口形貌圖比較

從表1可以看出，在-60℃以上的試驗溫度，采用8mm擺錘刀刃錘頭測得的沖擊吸收能量KV8值比采用2mm擺錘刀刃錘頭的沖擊吸收能量KV2的值高出38J。但隨著試驗溫度的降低，沖擊吸收能量KV8值與KV2值之差逐漸變小，這是因為試樣在承受擺錘打擊過程中吸收的能量是由試樣發生彈性變形時吸收的彈性變形能量、彈性變形后裂紋產生前的塑性變形階段吸收的塑性變形能量及裂紋產生并擴展至斷裂階段吸收的撕裂變形能量3部分組成[3]。擺錘打擊試樣時，試樣首先發生彈性變形，當彈性變形達到彈性極限時，試樣產生沿無約束寬度方向的塑性變形。由于8mm擺錘刀刃比2mm擺錘刀刃對試樣的打擊面積大，因此試樣參與彈性變形和塑性變形的宏觀面積范圍增大，試樣會產生較大的內部變形抗力，這就導致采用8mm擺錘刀刃錘頭比采用2mm擺錘刀刃錘頭獲得的沖擊吸收能量大，反映在沖擊試樣斷口形貌上即是兩者側膨脹值的明顯不同。由圖1可見，8mm擺錘刀刃下比2mm擺錘刀刃下的試樣側膨脹值高出0.22mm。

隨著試驗溫度的降低，材料的韌性減小，擺錘刀刃在試樣上作用面積的大小對試樣消耗在彈性變形和塑性變形階段能量大小的影響減小，這導致KV8值與KV2值的差值逐漸變小。

3.2 不同擺錘刀刃對材料韌脆轉變溫度的影響

由于沖擊吸收能量對鋼材隨溫度變化產生的韌脆轉變明顯，因此用來測定鋼材韌脆轉變趨勢及轉變溫度。根據GB/T229-2007的規定，韌脆轉變溫度的判據為：沖擊吸收能量達到上下平臺之差的某一百分數，通常取沖擊吸收能量的50%。由圖3可見，當采用8mm擺錘刀刃錘頭時，韌脆轉變溫度Tt8高于采用2 mm擺錘刀刃錘頭時的韌脆轉變溫度Tt2，這是因為高能量時KV8值偏高，低能量時KV8與KV2值相差減小，導致兩者同樣達到50%的變化量時[4]試驗溫度不同。

圖3 沖擊吸收能量隨溫度變化趨勢圖

4 結束語

（1）在同一溫度下，8 mm擺錘刀刃下的沖擊吸收能量KV8大于2 mm擺錘刀刃下的沖擊吸收能量KV2。

（2）隨著試驗溫度的降低，材料的韌性降低，擺錘刀刃作用在沖擊試樣上面積的大小對沖擊吸收能量大小的影響減小，表現在KV8值與KV2值的差值減小。

（3）沖擊吸收能量的誤差影響因數比較復雜，不適于采用修正的方法對試驗結果進行修正[5-6]。

（4）由8mm擺錘刀刃錘頭測得的沖擊吸收能量KV8的變化值確定的韌脆轉變溫度高于用2 mm擺錘刀刃錘頭測得的沖擊吸收能量KV2的變化值確定的韌脆轉變溫度。

為了確保材料在低溫下的使用安全性，應由KV8的變化值確定材料的最低服役溫度。當材料的服役溫度遠高于韌脆轉變溫度時，可以用KV2的值作為沖擊吸收能量的檢驗指標。

[1] 李久林.金屬夏比缺口沖擊試驗方法國家標準實施指南[M].北京：中國標準出版社，2006.

[2]GB/T 229—2007金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2007.

[3] 唐振廷.儀器化沖擊試驗應用講座（二）纖維斷面率與韌性斷面率之間的關系[J].汽車工藝與材料，2005（11）：42-44.

[4] 唐振廷.儀器化沖擊試驗應用講座（一）沖擊斷口測量方法及其存在問題[J].汽車工藝與材料，2005（10）：42-44.

[5]陳一.擺錘式沖擊試驗機示值誤差測量結果的不確定度評定[J].計量與測試技術，2008，35（2）：48-49.

[6] 齊立軍.國產、美標沖擊試驗機檢定方法的探討[J].中國計量，2009（6）：105-107.