ASTM E 23:2016b《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》簡介

合肥通用機(jī)械研究院有限公司□戴清晨 陸戴丁 陳 勇

1 概述

夏比缺口沖擊試驗(yàn)，作為評價(jià)金屬材料力學(xué)性能的一種常規(guī)試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于各高校和科研院所的實(shí)驗(yàn)室，以及金屬材料生產(chǎn)企業(yè)的抽樣檢查試驗(yàn)室等。試驗(yàn)通常是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，將坯樣加工成具有規(guī)定的缺口形式和幾何尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣，運(yùn)用儀器在沖擊載荷作用下測得沖擊吸收能量，以及斷口的剪切面積和膨脹值等。ASTM E 23:2016b《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》在2012年的版本 （ASTM E 23:2012c）基礎(chǔ)上進(jìn)一步修訂，形成了最新的ASTM E 23:2016b。與2012版相比，2016版進(jìn)一步確認(rèn)了前版 （2012版）已經(jīng)刪除的預(yù)制裂紋夏比V型缺口試樣和試樣的取樣方法；同時對部分章節(jié)的圖表進(jìn)行了重繪和整理，對部分條款的文字?jǐn)⑹鲞M(jìn)行了修正和統(tǒng)一。

ASTM E 23:2016b是美國材料與試驗(yàn)協(xié)會制定的金屬材料缺口試樣沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，該標(biāo)準(zhǔn)正文部分主要包括適用范圍、引用標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)原理、試樣制備、試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)步驟、試驗(yàn)結(jié)果處理、試驗(yàn)報(bào)告編寫等內(nèi)容；附錄分為強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性兩部分，前者包括試驗(yàn)機(jī)的一般性要求、試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)、輔助沖擊試驗(yàn)形狀、剪切斷面率測定等內(nèi)容；后者包括缺口試樣沖擊試驗(yàn)意義、擺錘中心測量方法和小尺寸夏比試樣試驗(yàn)說明等內(nèi)容。為使相關(guān)試驗(yàn)研究人員能更好地理解美國標(biāo)準(zhǔn)，有利于檢測和試驗(yàn)工作的開展，筆者擬將美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 23:2016b中夏比缺口沖擊試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容做簡要介紹，并將其與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行比較，簡要介紹兩者在試樣要求、試驗(yàn)準(zhǔn)備工作、試驗(yàn)步驟與過程、試驗(yàn)結(jié)果評定等方面的顯著不同點(diǎn)。

2 試驗(yàn)意義

ASTM E 23:2016b在正文中提及了缺口沖擊試驗(yàn)的意義和用途，并在附錄的非強(qiáng)制部分中系統(tǒng)闡述了缺口、尺寸、溫度、工況條件等對試驗(yàn)的影響。該部分在我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007中并未引入，但對于正確理解和運(yùn)用沖擊試驗(yàn)有很大的幫助。

ASTM E 23:2016b指出，缺口沖擊試驗(yàn)反映了在施加單次動載荷時，由缺口、高速度載荷和環(huán)境溫度共同影響所產(chǎn)生的多軸向應(yīng)力的金屬材料表現(xiàn)出來的特性。考慮到真實(shí)工況，缺口沖擊試驗(yàn)可以更準(zhǔn)確地預(yù)測金屬材料發(fā)生脆性斷裂的可能性。

（1） 缺口效應(yīng)

面心立方晶體金屬和合金、多數(shù)非鐵基材料及奧氏體鋼的缺口效應(yīng)，一般可以通過拉伸試驗(yàn)來判別，即：若拉伸試驗(yàn)時為脆性斷裂，則缺口沖擊試驗(yàn)時也表現(xiàn)為脆性斷裂；同樣，若拉伸試驗(yàn)時為韌性斷裂，則缺口沖擊試驗(yàn)時也表現(xiàn)為韌性斷裂，即便在低溫下該特性也不會發(fā)生改變。但是，體心立方晶體金屬及合金，或多數(shù)鐵素體鋼的缺口效應(yīng)則不能由拉伸試驗(yàn)簡單判斷，因此有必要對這些材料，尤其是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 （鐵素體-珠光體鋼）開展缺口沖擊試驗(yàn)的研究。缺口沖擊試驗(yàn)被證實(shí)對測定鋼對缺口效應(yīng)的敏感性十分有用，盡管該方法還不能直接用于評價(jià)結(jié)構(gòu)或設(shè)備的使用可靠性。

（2） 缺口影響

由于缺口的存在，垂直于主應(yīng)力方向的變形因受到限制而變?yōu)槎噍S向應(yīng)力，并和缺口根部的應(yīng)力集中相疊加，形成復(fù)合應(yīng)力。應(yīng)用材料的內(nèi)聚強(qiáng)度 （或其他互相結(jié)合的性能）和內(nèi)聚強(qiáng)度與屈服點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，可以很好地解釋某些材料在低溫下會發(fā)生脆性斷裂，而另一些材料則仍能以塑性方式發(fā)生變形的原因。當(dāng)含缺口的試樣承受載荷時，通過缺口底部的正應(yīng)力趨于引發(fā)試樣斷裂，而保持其不開裂的特性稱為 “內(nèi)聚強(qiáng)度”。當(dāng)正應(yīng)力超過內(nèi)聚強(qiáng)度時，試樣就會發(fā)生斷裂。此時，試樣沒有產(chǎn)生變形就斷裂，即在發(fā)生明顯塑性變形之前，正應(yīng)力就已超過了結(jié)合強(qiáng)度，且斷口呈結(jié)晶形貌，稱為脆性斷裂。

一般試驗(yàn)中，試樣在斷裂前會發(fā)生彈性變形。除正應(yīng)力外，還存在與正應(yīng)力成45°角的切應(yīng)力，一旦剪切應(yīng)力超過材料的剪切強(qiáng)度，彈性變形結(jié)束，即進(jìn)入塑性變形和屈服階段。在試樣斷裂前發(fā)生相當(dāng)大的變形或應(yīng)變，且斷口呈纖維形貌，稱為韌性或剪切斷裂。而介于這兩者之間的，斷裂發(fā)生在中等量級變形之后，斷口形貌呈現(xiàn)部分結(jié)晶、部分纖維狀。

無論是哪種形式斷裂，均取決于在剪切應(yīng)力超過剪切強(qiáng)度之前，正應(yīng)力是否超過了內(nèi)聚強(qiáng)度。若缺口比較尖銳，正應(yīng)力會相對于剪切應(yīng)力增大，試樣更加趨于脆性斷裂；若變形速率增大，剪切強(qiáng)度增大，則脆性斷裂的可能性也增大；若提高試驗(yàn)溫度并保持缺口和變形速率不變，則剪切強(qiáng)度降低，塑性性能增強(qiáng)，從而導(dǎo)致剪切斷裂。

（3） 尺寸影響

ASTM E 23:2016b指出，增加試樣的寬度或厚度，會引起承受變形的體積的增加，并使試樣斷裂時可以吸收更多的能量。但是任何尺寸上的增加，特別是寬度的增加，都會引起約束的增加，進(jìn)而增加試樣脆性斷裂的傾向，降低沖擊吸收功。雙倍寬度的試樣斷裂時所需能量較標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣可能更小。

缺口尺寸的不同也會嚴(yán)重影響試驗(yàn)的結(jié)果。ASTM E 23指出，用E4340鋼進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測得不同缺口尺寸試樣取得的沖擊功值也不同，見表1。從表1中可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比，非標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功值，隨著缺口深度的減小而逐漸增加；缺口底部半徑小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸時，其沖擊功值亦小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的值，而缺口底部半徑大于標(biāo)準(zhǔn)尺寸時，其沖擊功值亦大于標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的值。

表1 標(biāo)準(zhǔn)試樣下不同缺口深度對沖擊吸收功的影響

（4） 溫度影響

環(huán)境溫度同樣會影響缺口效應(yīng)。可以開展系列溫度下的沖擊試驗(yàn)，然后觀察試樣斷口，繪制沖擊吸收功值和斷口形貌與試驗(yàn)溫度的關(guān)系圖來研究材料的韌脆性能。當(dāng)試驗(yàn)溫度降低至足以導(dǎo)致試樣在被沖擊后引發(fā)解理斷裂時，沖擊功值會急劇下降，此時試樣斷口形貌為部分結(jié)晶形貌。發(fā)生這一脆化效應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度隨零件或試樣的尺寸及缺口的幾何形狀的不同而發(fā)生顯著變化。

（5）與工況條件的關(guān)系

缺口沖擊試驗(yàn)雖然不能直接預(yù)測應(yīng)用于大型構(gòu)件或其部件的材料的韌脆特性，但是試驗(yàn)結(jié)果與工況條件之間的關(guān)系確定后，該試驗(yàn)就可以用于同一鋼種不同批次的驗(yàn)收試驗(yàn)，或用于不同鋼材之間的選擇依據(jù)。而其他試驗(yàn)，諸如化學(xué)分析、拉伸或硬度試驗(yàn)不能反映某些重要加工因素對脆性斷裂敏感性的影響，也不能反映對低溫引起脆性行為的影響。

3 試樣要求

ASTM E 23:2016b提供了不同缺口的試樣，以滿足不同類型材料的試驗(yàn)要求。對于韌性較好的材料或在較低的沖擊速度下，試樣需要較尖銳且較深的缺口。進(jìn)行夏比缺口沖擊試驗(yàn)時推薦使用的試樣型式如圖1所示，即V型缺口和U型缺口試樣。對比2012版該標(biāo)準(zhǔn)，原來的鎖眼型（K型）缺口試樣在 “試樣”章節(jié)被刪除，將其視同U型缺口試樣類似處理，而GB/T 229并未引入該種缺口型試樣，只推薦使用常用的V型缺口和U型缺口試樣。修訂后的ASTM E 23:2016b在試樣類型上與GB/T 229更加接近。兩種標(biāo)準(zhǔn)中的試樣尺寸與偏差的要求，宗秋麗等著《GB/T 229—2007〈金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法〉簡介》、范立坤著 《V型缺口沖擊試樣尺寸公差因素的有限元分析》、王濱著 《ASTM金屬材料夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)方法介紹》，做了詳細(xì)對比和研究，指出ASTM E 23:2016b對試樣加工尺寸公差的要求比GB/T 229更加嚴(yán)格，也更加合理些。一般情況下，更為精確和重要的試驗(yàn)，試樣尺寸要求參照ASTM的要求進(jìn)行。

關(guān)于試樣標(biāo)記，ASTM E 23:2016b做出了比GB/T 229更為詳細(xì)的規(guī)定：試樣標(biāo)記只能在規(guī)定位置，如標(biāo)準(zhǔn)試樣的正方形端部、試樣置于砧座時朝上的一面，或背對缺口的一面。在試樣的任一面上，離缺口中心線10mm以內(nèi)不允許有試樣標(biāo)記。可用于標(biāo)記試樣的方法有永久性標(biāo)記器、激光雕刻法、劃線器、靜電鉛筆等。試樣標(biāo)記應(yīng)避免試樣變形，導(dǎo)致改變其機(jī)械性能。

4 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

圖1 夏比 （簡支梁）沖擊試驗(yàn)試樣，V型和U型缺口

ASTM E 23:2016b在正文部分對試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作做出了更為詳細(xì)的規(guī)定，內(nèi)容見下文。

1）對擺錘和砧座進(jìn)行目視檢查，以確認(rèn)是否存在明顯的損壞和磨損。

2）檢查試驗(yàn)機(jī)的零位置：將擺錘提升至鎖緊位置，指針移至最大刻度處，釋放擺錘，讀出數(shù)值。此時指針應(yīng)直接以能量值標(biāo)示出試驗(yàn)機(jī)的零位置。對于未對空氣阻力和摩擦損耗進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)機(jī)，指針將不指向零位置。在換算成能量值時，應(yīng)根據(jù)指針擺動的弧度對摩擦損耗按比例進(jìn)行修正。

3）摩擦和空氣阻力損耗不應(yīng)超過標(biāo)稱能量的0.4%，同時其變化量不應(yīng)超過試驗(yàn)機(jī)預(yù)設(shè)的摩擦和空氣阻力損耗的10%。若超過該值，則須檢查顯示裝置、閉鎖高度及軸承磨損等情況。若設(shè)備長期未使用，應(yīng)讓擺錘擺動50到100個循環(huán)，并重新進(jìn)行摩擦和空氣阻力損耗試驗(yàn)。為確保該值在允許誤差范圍內(nèi)，建議采用如下方法：將擺錘提升至鎖緊位置，指針移至最大刻度處，釋放擺錘，讓擺錘循環(huán)五次 （擺錘向前擺動一次和向后擺動一次視為一次循環(huán)），在第六次向前擺動之前，調(diào)整指針在最大刻度值的5%～10%之間，第六次向前擺動之后，記錄指針讀數(shù)，將該值除以10，再除以最大刻度值并乘以100，得到摩擦和空氣阻力損耗百分比。2012版該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂時將指針在擺錘第一次擺動時的摩擦計(jì)入，即不再假設(shè)與第一次擺動相關(guān)的摩擦、空氣阻力和指針摩擦損耗為零。因此摩擦和空氣阻力損耗百分比取決于10次半周期的擺動。2016版ASTM E 23繼續(xù)確認(rèn)了以上內(nèi)容。該部分準(zhǔn)備工作在按照GB/T 229操作時，可以列入?yún)⒖家蛩兀源_保試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5 試驗(yàn)過程

本文涉及的兩個標(biāo)準(zhǔn)中，對試驗(yàn)過程的要求大致相同。主要介紹ASTM E 23:2016b中夏比缺口沖擊試驗(yàn)的條件和步驟，并指出與GB/T 229的不同之處。

（1） 試驗(yàn)條件

1）室溫試驗(yàn)時，推薦溫度為 （20±5）℃[GB/T 229 規(guī)定為 （23±5） ℃]；

2）對于試驗(yàn)溫度有規(guī)定的，應(yīng)在規(guī)定溫度±1℃范圍內(nèi)進(jìn)行；

3）當(dāng)使用接近其沸點(diǎn)的介質(zhì)加熱或冷卻時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)移試樣時的溫度變化，如在水中加熱到100℃的試樣，在5s之內(nèi)試樣溫度會降低10℃；當(dāng)使用某些沸點(diǎn)高于室溫的冷卻介質(zhì)時，在轉(zhuǎn)移過程中，試樣溫度也會發(fā)生很大的變化。但ASTM E 23:2016b并未對調(diào)節(jié)溫度和進(jìn)行沖擊時試樣溫度之間的最大溫差進(jìn)行規(guī)定，這主要取決于試驗(yàn)所用材料及其應(yīng)用情況 （GB/T 229在附錄部分給出了試樣從高溫或低溫裝置中移出在3s～5s內(nèi)打斷的溫度補(bǔ)償值）；

4）當(dāng)采用氣體介質(zhì)調(diào)溫時，應(yīng)使試樣置于該氣體介質(zhì)包圍之中，并將該氣體介質(zhì)的溫度控制在所需溫度的±1℃范圍內(nèi)至少30分鐘 （GB/T 229規(guī)定為至少20分鐘）。

（2） 試驗(yàn)步驟

1）推薦采用如圖2所示的V型缺口自動對中夾鉗將試樣放置在試驗(yàn)機(jī)上，使試樣缺口背面朝向擺錘刀刃。如果使用端部對中裝置，應(yīng)采取措施確保低能量高強(qiáng)度試樣斷裂后不會回彈到擺錘上而出現(xiàn)偏高的示值。有研究表明，如果試樣兩端和對中裝置的間隙沒有達(dá)到13mm，試樣斷裂后，其端部可能會反彈至擺錘上。在試驗(yàn)前，夾取裝置與試樣接觸部分應(yīng)與試樣一起進(jìn)行保溫。

圖2 夏比V型缺口試樣用對中卡鉗

2）對于擺錘的半徑，2016版ASEM E 23專門指出需使用8mm擺錘，除非另有規(guī)定時使用2mm擺錘。而GB/T 229進(jìn)一步指出，在低能量沖擊時，使用2mm擺錘獲得的沖擊吸收功值比8mm擺錘的高。

3）試驗(yàn)開始前，將擺錘提升至鎖緊位置，將指針撥到刻度盤最大讀數(shù)處，或?qū)?shù)字顯示裝置初始化，確認(rèn)試樣擺好，無振動的釋放擺錘。為了防止擺錘處于鎖緊位置時因顯示裝置振動而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤，應(yīng)在下次鎖住擺錘之前讀取數(shù)值。

4）采用液體或氣體調(diào)節(jié)試驗(yàn)溫度的試樣，應(yīng)迅速轉(zhuǎn)移試樣至砧座上，然后無振動的釋放擺錘，沖斷試樣。該過程須在5s內(nèi)完成，否則應(yīng)重新對試樣進(jìn)行保溫再試驗(yàn)。沖擊時，試樣、砧座與擺錘的相對位置如圖3所示。

圖3 試樣、砧座與擺錘的相對位置

5）如果試樣卡在試驗(yàn)機(jī)上，則廢棄此次試驗(yàn)結(jié)果，并對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行徹底檢查。

6 試驗(yàn)結(jié)果評定

試驗(yàn)結(jié)束后，須對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，兩種標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)處理的要求對比情況見表2。ASTM E 23:2016b強(qiáng)調(diào)必須對數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣阻力和摩擦阻力的修正，并認(rèn)為大于試驗(yàn)機(jī)打擊能量80%的沖擊吸收功數(shù)值是不準(zhǔn)確的，只能作為近似值。同時ASTM E 23并沒有對沖擊吸收功規(guī)定偏差性。由于試驗(yàn)機(jī)和試樣之間復(fù)雜的能量損失機(jī)制，使得擺錘設(shè)計(jì)的物理屬性也變得復(fù)雜，因此沒有一個絕對數(shù)值可以與測量值進(jìn)行比較。GB/T 229對此并未做說明。兩種標(biāo)準(zhǔn)均列出了試驗(yàn)報(bào)告所含內(nèi)容的要求，包括必要內(nèi)容和可選內(nèi)容，略有不同，使用者可自行選擇。

表2 ASTM E 23:2016b與GB/T 229關(guān)于試驗(yàn)結(jié)果處理方式對比

7 結(jié)論

綜上所述，ASTM E 23:2016b從基礎(chǔ)理論、試樣設(shè)備到實(shí)際操作等，對金屬材料的缺口型試樣沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)縝密的規(guī)定，在各種試驗(yàn)、檢測及研究工作中得到廣泛應(yīng)用。本文對涉及理解和操作沖擊試驗(yàn)的幾大要點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并與我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007進(jìn)行了對比，指出了不同點(diǎn)，可作為理解和運(yùn)用我國標(biāo)準(zhǔn)的參考資料。