金屬材料夏比沖擊試驗的應用研究

李衛軍+李慶+魏磊

摘要：本文主要針對日本的JIS標準、美國的ASTM標準和中國的GB標準中的沖擊試驗方法進行比較，列舉了它們之間的差異。并結合國標GB/T229沖擊試驗方法對40CrNiMoA和TC4等兩種材料進行了試驗研究。結果表明：依據國標GB/T229的方法確定了40CrNiMoA韌脆轉變溫度為-20℃；而鈦合金TC4所得出的試驗數據存在著波動，主要和試樣的尺寸差異以及表面光潔度有關，其試驗結果都符合生產用要求。

Abstract： This paper mainly compares the impact test methods of the Japanese JIS standard， the American ASTM standard and the Chinese GB standard， and lists the differences between them. Combined with GB/T229 impact test methods， two kinds of materials， 40CrNiMoA and TC4 were studied. The results show that the ductile-brittle transition temperature of 40CrNiMoA is -20℃ according to GB/T229 method. However， the experimental data of titanium alloy TC4 are fluctuating， which are mainly related to the size difference of the sample and the surface finish. The test results all meet the production requirements.

關鍵詞：夏比沖擊試驗；試驗方法；試驗標準

Key words： Charpy impact test；test methods；test standard

中圖分類號：TG115.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0121-04

0 引言

夏比（Charpy）沖擊試驗是評價沖擊載荷下材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力的試驗方法。它是一種傳統力學性能試驗方法，用于評價金屬材料沖擊韌性，其特點是試驗時間短，試樣加工簡便，試驗數據對冶金缺陷、材料組織結構等敏感，具有廣泛的應用空間。該方法在材料生產、加工工藝及機器零部件的檢驗上積累了許多經驗，并將其成功地應用在以下方面[1]：①檢驗材料質量；②提供判斷依據；③評定材料缺口敏感性和時效敏感性；④建立經驗公式。

1 夏比沖擊試驗概述

1.1 夏比試驗標準的基本構成

關于夏比沖擊試驗標準各個國家之間存在一定差異，本文重點分析了美國的ASTM標準、日本的JIS標準和中國的GB，其基本構成簡述如下：

美國的鋼產品沖擊試驗標準的組成部分包括ASTM E23-06、ASTM A673/673M-07和ASTM A370-07[4-6]。其中E23-06包括沖擊試驗機的檢定規程、沖擊試驗方法；A370-07的沖擊試驗部分包括沖擊試樣的部分取樣位置要求、沖擊試驗機的檢定要求和鋼產品的沖擊試驗方法；而A673/673M-07規定鋼產品的沖擊試樣取樣位置要求和試驗頻率。通常ASTM標準均有公制單位版本和英制單位版本，標準號后的M表示公制單位版本。

日本的鋼產品沖擊試驗標準的組成部分包括JIS B 7722和JIS Z2242-2005，分別規定了日本的試驗方法和鋼產品沖擊取樣[2，3]。

中國的鋼產品沖擊試驗標準組成部分包括GB/ T2975-1998、GB/T229-2007和JJ G145-2007。其中，GB/ T2975-1998規定了沖擊試樣的取樣位置[8]，GB/T229-2007是沖擊試驗方法[7]，JJ G145-2007是沖擊試驗機的檢定規程。在中國航空工業標準HB5144-96中對于航空用金屬材料的夏比沖擊試驗也做了相應的行業規定，其試驗標準是由GB3808、GB8170和JJG 145組成。

1.2 夏比沖擊試驗標準的主要差異

1.2.1 沖擊試驗機擺錘

擺錘是夏比（Charpy）沖擊試驗中最重要的試驗元件構成之一。擺錘曲率半徑的不同，對于同一材料的沖擊吸收能量Ak值會有影響。圖1是擺錘曲率半徑分別為2mm和8mm刀刃示意圖[9]。圖中，12D為8mm沖擊刃寬度，（4±0.05）mm；12C為8mm沖擊刃肩角部曲率半徑，（0.1～1）mm；12B為8mm沖擊刃曲率半徑，（8±0.05）mm；12A為2mm沖擊刃曲率半徑，（2～2.5）mm；a為沖擊刀刃角，30°±1°。雖然國標GB和日本JIS系標準的沖擊試驗標準可以使用上述兩種擺錘，一般情況下，ASTM的沖擊試驗標準只允許使用曲率半徑為8mm的擺錘；沖擊試驗規定使用曲率半徑為2mm的擺錘。通常使用2mm曲率半徑得到的沖擊吸收功要低于使用8mm曲率半徑的擺錘。

1.2.2 沖擊試驗機能力范圍

國標GB/T229-2007對于沖擊試驗機能力的下限做出規定，建議應不低于試驗機最小分辨力的25倍[7]，而ASTM E23-06規定為試驗機在15J時分辨力的25倍。對于沖擊試驗機的能力的上限，美標ASTM E23-06和日本的JIS系標準均規定為試驗機擺錘能量的80%。一旦沖擊吸收功超過其能力范圍（即擺錘能量的80%），其擺錘速度會受到很大的不利影響，無法獲取準確的沖擊吸收功[4]。

1.2.3 試樣加熱/冷卻裝置endprint

日本JIS系標準規定：使用液體介質加熱或者冷卻試樣時，試樣應放置于一容器中的網柵上，網柵至少高于底部25mm，液體浸過試樣的高度至少25mm，試樣距容器側壁至少10mm。應連續均勻攪拌介質以使溫度均勻。測定介質溫度的儀器應當置于一組試樣中間處。介質溫度應在規定溫度±1℃以內，保持至少5min。對于不超過200℃的高溫試驗測試，試樣應該浸沒在恒溫液體介質中至少10min，保持確定的溫度在±2℃以內。對于使用氣體介質，JIS Z2242-2005規定試樣距離容器內壁至少50mm，試樣之間距離至少10mm，但GB/T229-2007對此沒有特殊規定。

美國ASTM E23-06規定：使用液體介質時，介質溫度應在規定溫度±1℃以內，試樣距離容器底部或側壁大于25mm，介質浸過試樣的高度至少25mm；保持至少5min。使用氣體介質，介質溫度應在規定溫度±1℃以內，保持至少30min。

1.2.4 沖擊試樣的尺寸和表面粗糙度

表1和表2列舉出了國標GB/T229-2007、美標ASTM E23-06和日本JIS Z2242的試樣的尺寸和偏差。分析表1和表2可知，就允許偏差來說，在ISO系標準中，GB/T229-2007的要求低于JIS Z2242-2005。對于試樣尺寸的允許偏差，ASTM E23-06大部分規定都和ISO系標準相當或更嚴格，只有一個試樣長度規定較為寬松。對于缺口深度的公差范圍，ISO系標準通過分別規定試樣高度和缺口底部高度的公差范圍來確定，但ASTM E23-06是直接規定。

而對于試樣的表面粗糙度來說，ISO系標準的GB/ T229-2007和JIS Z2242-2005的規定分別是：除端面以外的4個面分別優于5μm和3.2μm；而ASTM E23206的規定是：開缺口面及與其相對面優于2μm，除端面外的其余兩個面優于4μm。

但是作為航標HB5144-96來說相應的試樣尺寸也有差異，如表3所示。其中缺口底部最大最小厚度差不應該超過0.05mm。對于超高強度鋼，缺口表面粗糙度Ra值的最大允許值為0.32μm。

1.2.5 試驗溫度

ASTM E23-06和ISO系標準在適用溫度范圍方面存在一定區別，ASTM E23-06適用于的沖擊試驗要求溫度超過或等于-196℃；而GB/T229-2007適用于的沖擊試驗要求溫度在-192～1000℃之間。在常溫沖擊試驗的試驗溫度范圍方面，兩者的規定也略有不同，ASTM E23-06是20 ±5℃，而ISO系標準是23±5℃。在低溫沖擊試驗的試驗溫度允許偏差方面，ASTM E23-06是±1℃，而ISO系標準是規定溫度的±2℃。但兩者在一些方面也存在相同的部分，比如對于不在常溫進行的沖擊試驗，兩者都要求試樣在移出加熱/冷卻裝置的5s內完成，且要求同時加熱/冷卻試樣和試樣夾持裝置。

2 應用研究

2.1 調制鋼40CrNiMoA的典型斷口分析

調質鋼40CrNiMoA是用于航空發動機軸的材料。作為高強度零件材料，在小于500℃工作溫度下，可以作為噴氣發動機承力零件。將熱處理后的材料制成夏比沖擊試樣，其典型的斷口形貌如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著試驗溫度的下降，試樣斷口形貌中韌性斷裂逐漸向脆性斷裂轉變。即斷裂面中韌性斷裂面積和脆性斷裂面積的百分比在逐漸改變。通過計算韌脆斷裂面積百分比可以確定該試樣的韌脆轉變溫度。本試驗中得出40CrNiMoA的韌脆轉變溫度為-20℃。以圖2中B圖為例，可以看出標有a部分為放射區，標有b部分為剪切唇，標有c部分為缺口纖維組織，其具體放大圖片如圖3所示。

圖3中a為放射區的形貌，主要是韌窩和解理斷裂面；b為剪切唇放大形貌，c為缺口處的纖維斷口形貌。

2.2 TC4夏比沖擊試驗數據分析

TC4為（α+β）型鈦合金，在航空航天和非航空航天工業中均獲得廣泛應用，可用于制造航空發動機壓氣機盤和葉片、火箭發動機的外殼及冷卻噴管。飛行器用特種壓力容器和工作在400℃以下的零部件以及化工用泵、船舶部件、蒸汽輪機等。

根據國標GB/T229沖擊試驗方法，在室溫下對退火態的鈦合金TC4進行沖擊試驗。試驗所得的沖擊吸收功Ak值滿足生產所需技術標準Q/S10-0705-04的要求（沖擊功大于等于32J）。如圖4所示試驗數據變化趨勢。

從圖4所示試驗數據的趨勢變化可以看出，TC4沖擊試驗值基本上是大于或等于32J的，則認為其在沖擊這方面的力學性能是合格，但是，能否作為合格的材料使用還需要進行其它的力學性能試驗測試才可以知曉。圖中的深色直線為本次試驗中的趨勢線性方程。在滿足生產需要的同時，試驗數據卻存在著波動。在材料成分，爐批批次相同的情況下，試驗數據的波動只可能與機加工、試驗過程中的讀數或操作有關。機加工過程是對原材料進行取樣機加的過程。該過程中對試樣的尺寸和表面光潔度有很高的要求。如果試樣表面存在加工缺陷，則會直接影響試驗數據的準確性。在實際生產中，只要求材料的力學性能達到工程標準的要求即可。

3 結論

綜上所述，對于中國GB/T229-2007，日本JIS Z2242和美國ASTM E23-06的沖擊試驗方法進行了比較。由比較可知，由于均源自ISO148，JIS Z2242-2005和GB/T229-2007對沖擊試驗機、沖擊試樣和沖擊試驗程序的要求基本相似，只是JIS Z2242-2005對沖擊試樣部分尺寸的允許偏差較小。通過分析調制鋼40CrNiMoA在不同溫度下沖擊斷口形貌和沖擊值的變化，確定了其韌脆轉折溫度為-20℃。以及在常溫下對鈦合金TC4的沖擊試驗，分析了其沖擊吸收功的波動，表明試樣滿足生產要求，波動主要是受試樣的加工和試驗操作等因素影響。

參考文獻：

[1]桂立豐.機械工程材料測試手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2001.

[2]JIS Z22422 2005， Method for Charpy Pendulum Impact Test of Metallic Materials[S].

[3]JIS B7722， Metallic Materials-Charpy Pendulum Impact Test Part 2： Verification of Test Machines[S].

[4]ASTM E23-06， Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials[S].

[5]ASTM A370-07， Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Product s[S].

[6]ASTM A673/A673M-07， Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel[S].

[7]GB/T229-2007，金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法[S].

[8]GB/T2975-1998，鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備[S].

[9]JJ G145-2007，擺錘式沖擊試驗機檢定規程[S].endprint