不同擺錘刀刃對(duì)管線鋼夏比沖擊試驗(yàn)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(shù)中心，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份公司質(zhì)檢中心，遼寧 鞍山 114021）

0 引 言

夏比沖擊試驗(yàn)是金屬力學(xué)試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法之一，沖擊吸收能量是部分冶金產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的檢驗(yàn)指標(biāo)之一，是評(píng)定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段[1]。試驗(yàn)方法是根據(jù)夏比沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，將材料加工成規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測(cè)定試樣的吸收能量。

作為檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[2]近年來(lái)進(jìn)行了較大的修改，標(biāo)準(zhǔn)中增加了8mm擺錘刀刃圓角半徑的規(guī)定。該文主要研究了不同沖擊擺錘刀刃錘頭對(duì)管線鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試樣

試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的10 mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣,進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)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(yàn)過(guò)程

每一試驗(yàn)溫度取6個(gè)沖擊試樣同時(shí)置于降溫裝置中，并在介質(zhì)中保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，以使試樣內(nèi)部和表面達(dá)到同一試驗(yàn)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(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求操作試驗(yàn)，以減少人為操作誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，高能量及低能量沖擊試樣斷口形貌見(jiàn)圖1和圖2。

表1 不同擺錘刀刃錘頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同擺錘刀刃對(duì)沖擊吸收能量的影響

圖1 20℃時(shí)沖擊斷口形貌圖比較

圖2 -90℃時(shí)沖擊斷口形貌圖比較

從表1可以看出，在-60℃以上的試驗(yàn)溫度，采用8mm擺錘刀刃錘頭測(cè)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(yàn)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?yàn)樵嚇釉诔惺軘[錘打擊過(guò)程中吸收的能量是由試樣發(fā)生彈性變形時(shí)吸收的彈性變形能量、彈性變形后裂紋產(chǎn)生前的塑性變形階段吸收的塑性變形能量及裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)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(shí)，試樣首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)，試樣產(chǎn)生沿?zé)o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(duì)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(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)部變形抗力，這就導(dǎo)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(cè)膨脹值的明顯不同。由圖1可見(jiàn)，8mm擺錘刀刃下比2mm擺錘刀刃下的試樣側(cè)膨脹值高出0.22mm。

隨著試驗(yàn)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(duì)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(dǎo)致KV8值與KV2值的差值逐漸變小。

3.2 不同擺錘刀刃對(duì)材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

由于沖擊吸收能量對(duì)鋼材隨溫度變化產(chǎn)生的韌脆轉(zhuǎn)變明顯，因此用來(lái)測(cè)定鋼材韌脆轉(zhuǎn)變趨勢(shì)及轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)GB/T229-2007的規(guī)定，韌脆轉(zhuǎn)變溫度的判據(jù)為：沖擊吸收能量達(dá)到上下平臺(tái)之差的某一百分?jǐn)?shù)，通常取沖擊吸收能量的50%。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)采用8mm擺錘刀刃錘頭時(shí)，韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tt8高于采用2 mm擺錘刀刃錘頭時(shí)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tt2，這是因?yàn)楦吣芰繒r(shí)KV8值偏高，低能量時(shí)KV8與KV2值相差減小，導(dǎo)致兩者同樣達(dá)到50%的變化量時(shí)[4]試驗(yàn)溫度不同。

圖3 沖擊吸收能量隨溫度變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

（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(yàn)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(duì)沖擊吸收能量大小的影響減小，表現(xiàn)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(shù)比較復(fù)雜，不適于采用修正的方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正[5-6]。

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

為了確保材料在低溫下的使用安全性，應(yīng)由KV8的變化值確定材料的最低服役溫度。當(dāng)材料的服役溫度遠(yuǎn)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，可以用KV2的值作為沖擊吸收能量的檢驗(yàn)指標(biāo)。

[1] 李久林.金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]GB/T 229—2007金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

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

[4] 唐振廷.儀器化沖擊試驗(yàn)應(yīng)用講座（一）沖擊斷口測(cè)量方法及其存在問(wèn)題[J].汽車(chē)工藝與材料，2005（10）：42-44.

[5]陳一.擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2008，35（2）：48-49.

[6] 齊立軍.國(guó)產(chǎn)、美標(biāo)沖擊試驗(yàn)機(jī)檢定方法的探討[J].中國(guó)計(jì)量，2009（6）：105-107.