3種金屬材料夏比沖擊試驗方法標準分析及對比

宋秀文

(大連大重檢測技術服務有限公司, 大連 116031)

工程機械中的許多零部件是在快速加載即沖擊載荷條件下工作的，如汽車在凸凹不平的道路上行駛、飛機的起飛和降落等。韌性可分為靜力韌性、沖擊韌性和斷裂韌性，其中沖擊韌性的試驗方法，按其服役工況有夏比沖擊試驗、艾氏沖擊試驗及沖擊拉伸試驗等。其中夏比沖擊試驗因其試樣加工簡便、試驗時間短，試驗數據對材料組織結構、冶金缺陷等敏感而成為評價金屬材料沖擊韌性應用最廣泛的一種傳統力學性能試驗，也是評定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段之一[1-2]。

隨著我國同歐美國家在工業、科技和貿易等方面合作日益密切，很多場合都要按照歐美標準測試金屬材料的力學性能，因此有必要將中國和歐洲及美國有關金屬材料夏比沖擊試驗方法標準之間存在的差異和聯系進行比對，以便試驗人員及時掌握相應試驗標準。

中國的鋼產品沖擊試驗標準一般采用GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，該標準修改采用ISO 148-1：2006《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗 第1部分：試驗方法》。

歐洲國家的鋼產品沖擊試驗標準為EN ISO 148-1：2016《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗 第1部分：試驗方法》。ISO 148-1：2016被歐洲標準化委員會(CEN)批準為EN ISO 148-1：2016，且沒有任何修改，在歐洲CEN成員國中執行。

美國的鋼產品沖擊試驗標準有ASTM A370-18《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法》中的20～30部分和ASTM E23-18《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》兩種試驗方法，由于ASTM A370-18用于測試鋼、不銹鋼和相關合金產品的力學性能，并且沖擊試驗僅規定采用夏比V型缺口沖擊試樣，因此筆者對GB/T 229-2007，EN ISO 148-1:2016及ASTM E23-18等3種標準進行了分析與對比。

1 試驗原理

GB/T 229-2007,EN ISO 148-1：2016及ASTM E23-18這3個沖擊試驗標準的試驗原理均是將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，用擺錘一次打斷試樣，測定試樣的吸收能量。

2 沖擊試樣要求

2.1 試樣尺寸要求

由表1可知，3個標準的試樣總體分類基本相同，標準試樣均為10 mm×10 mm×55 mm，在試樣長度中間均有V型或U型缺口。3個標準中V型缺口小試樣尺寸均開有10 mm×7.5 mm×55 mm及10 mm×5 mm×55 mm及10 mm×2.5 mm×55 mm這3種，另外ASTM A370-18中對V型缺口小試樣尺寸規定還可采用10 mm×6.7 mm×55 mm及10 mm×3.3 mm×55 mm兩種類型的試樣。GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中U型缺口小試樣尺寸有10 mm×7.5 mm×55 mm和10 mm×5 mm×55 mm兩種，而ASTM E23-18中U型缺口無小試樣尺寸規定。3個標準中試樣V型缺口角度均為45°，缺口根部半徑均為0.25 mm，缺口深度均為2 mm；U型缺口根部半徑均為1 mm，缺口深度ASTM E23-18和EN ISO 148-1：2016均為5 mm，但GB/T 229-2007還增加了深度為2 mm的缺口試樣，另外JB/T 6397-2006《大型碳素結構鋼鍛件 技術條件》附錄A還規定了一種U型缺口深度為3 mm的沖擊試樣，在國標沖擊試驗中U型缺口深度為2 mm和3 mm的這兩種試樣較為常用。3個標準對尺寸公差的具體要求詳見表1，由表1可以看出ASTM E23-18對沖擊試樣尺寸公差的要求較GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016的更為嚴格。由于沖擊試樣缺口尺寸的變化會嚴重影響試驗結果，因此在試驗中應特別注意V型缺口的檢查，在使用投影儀檢查ASTM E23-18沖擊試樣缺口時，必須使用符合ASTM E23-18標準的沖擊試樣樣板。

表1 3個標準的沖擊試樣尺寸及允許偏差要求Tab.1 Impact specimen dimensions and allowable deviations requirements from the three standards

2.2 試樣的表面粗糙度要求

GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016要求試樣表面粗糙度Ra應優于5 μm,端部除外；ASTM E23-18要求粗糙度在缺口表面和背面小于等于2 μm，在其他兩個表面小于等于4 μm。

3 試驗設備

3個標準使用的擺錘式沖擊試驗機主要由機架、擺錘、鉆座、指示裝置及擺錘釋放、制動和提升機構等組成，其基本參數、結構形式及操作方法大同小異，但沖擊錘刃、砧座及試樣支座等的尺寸公差略有不同。由表2可知，3個標準中試驗機錘刃半徑為2 mm和8 mm兩種，而大多數情況下，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016沖擊試驗規定使用2 mm錘刃，ASTM E23-18沖擊試驗規定使用8 mm錘刃；GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中要求砧座圓角半徑為(1～1.5) mm，ASTM E23-18中則要求砧座圓角半徑為(1±0.05) mm；GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中要求砧座跨距應保證(40+0.2) mm，ASTM E23-18中則要求砧座跨距應保證(40±0.05) mm。另外，ASTM E23-18中規定了錘刃及砧座表面粗糙度Ra≤0.1 μm，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016未對錘刃及砧座表面粗糙度進行規定?？傮w來說ASTM E23-18對試驗機的特征參數的尺寸公差要求更為嚴格。

表2 3個標準的沖擊試驗機特征參數及尺寸公差要求Tab.2 Characteristic parameters and dimensional tolerance requirements of impact testing machine of the three standards

對于沖擊試驗機的能力范圍，3個標準規定上限為試驗機最大能量的80%， GB/T 229-2007規定下限為試驗機最小分辨力的25倍，ASTM E23-18規定下限為25倍的刻度或讀出裝置在15 J時的分辨力。

4 試驗程序

4.1 試驗設備的準備

GB/T 229-2007規定試驗前應檢查擺錘空打時的回零差或空載能耗，并檢查砧座跨距(40+0.2) mm，回零差不應大于擺錘最大能量的0.1%。EN ISO 148-1：2016規定在每天試驗前應檢查摩擦損耗，且不超過0.5%的標稱能量。ASTM E23-18規定在每天、每個班次或者每個試驗間歇期在進行試驗之前都應對試驗機進行檢查，包括對擺錘和支座進行目視檢查、試驗機的0刻度位置及摩擦和風阻損耗，摩擦和風阻損耗應不超過0.4%的被測刻度范圍，同時變化應不會超過10%的先前設備記錄的百分比摩擦和風阻損耗測量值。

4.2 試驗溫度

對于室溫沖擊試驗溫度，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016規定應在(23±5) ℃進行，ASTM E23-18規定應在(20±5) ℃進行，而ASTM A370-18則規定室溫試驗溫度為15～32 ℃。對于試驗溫度有規定的，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016規定應在規定試驗溫度的±2 ℃進行，ASTM E23-18規定應在規定試驗溫度的±1 ℃進行，具體見表3。

表3 3個標準的沖擊試驗溫度要求Tab.3 Impact test temperature requirements of the three standards

試樣在冷卻或加熱介質中的保持時間，GB/T 229-2007規定，當使用液體介質冷卻試樣時，試樣應在規定溫度下保持至少5 min，當使用氣體介質冷卻試樣時，試樣應在規定溫度下保持至少20 min，另外，對于試驗溫度不超過200 ℃的試驗，試樣應在規定溫度±2 ℃的液池中保持至少10 min，對于試驗溫度超過200 ℃的試驗，試樣應在規定溫度±5 ℃的高溫裝置內保持至少20 min。EN ISO 148-1：2016和ASTM E23-18規定試樣在液體介質中至少保持5 min，在氣體介質中至少保持30 min?？傮w來說GB/T 229-2007對試驗溫度的規定更為詳細。

4.3 試樣的轉移

3個標準均要求試樣從高溫或低溫裝置中移出至打斷的時間應不大于5 s，且移出裝置和試樣的接觸部分要與試樣一起加熱或冷卻，但EN ISO 148-1：2016中規定如果環境溫度或儀器溫度與試樣溫度之差小于25 ℃時，試樣移出至打斷時間應小于10 s。其中GB/T 229-2007還特別注明了試樣從高溫或低溫裝置中移出至打斷時間為3～5 s時的溫度補償。

5 沖擊試驗結果處理及報告

5.1 數值修約

GB/T 229-2007中規定,沖擊吸收能量應至少估讀到0.5 J或0.5個標度單位(取兩者之間較小值)，試驗結果至少保留兩位有效數字，EN ISO 148-1：2016和ASTM E23-18對數值修約沒有明確規定。

5.2 試樣未完全斷開的處理

試樣未完全斷開時，GB/T 229-2007和ASTM E23-18兩個標準對試驗結果的報告情況基本相似，其中ASTM E23-18中對小于試驗機能力80%的未斷開試樣，如果報告未列出各個試驗值，則應報告未斷開試樣的百分比數及平均值，但是EN ISO 148-1：2016對未完全斷開的試樣未作明確規定。對于未斷開的試樣，3個標準給出的規定基本相似。3個標準對試樣未完全斷裂及未斷開的報告描述具體見表4。

表4 3個標準的沖擊試驗結果及報告要求Tab.4 Impact test results and reporting requirements of the three standards

隨著國內外金屬材料生產工藝的不斷提升，材料的沖擊韌性越來越好，沖擊試驗后試樣大多數沒有完全斷裂為兩半，而材料驗收試驗是用以評估最低驗收要求的試驗，因此EN ISO 148-1：2016對未完全斷裂的試樣未作相關規定，此要求操作方便更符合一般的生產制造性企業的檢測試驗需求。

5.3 沖擊吸收能量的表示

由表4可知，ASTM E23-18沒有沖擊吸收能量的表示符號，而GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016沖擊吸收能量均表示為KV2,KV8,KU2,KU8等4種符號，其中下標V和U分別表示缺口類型，下標2和8表示錘刃半徑，如KV2表示V型缺口試樣在2 mm錘刃下的沖擊吸收能量。

6 結束語

筆者對中國、歐洲和美國沖擊試驗方法標準中關于沖擊試驗原理、試樣尺寸、試驗設備、試驗程序及試驗結果等方面進行了比較，并對標準中的一些規定進行了討論。因國標(GB)和歐標(EN)沖擊試驗標準均源自于ISO 148-1，只是源自ISO 148-1的年號不同，所以GB和EN沖擊試驗標準基本相同。美標(ASTM)沖擊試驗標準相比GB和EN，在試樣尺寸及設備尺寸公差方面要求更為嚴格，相關的試驗規定也更加詳細。因此，試驗人員在采用這3個標準時，應特別注意這3個標準的不同之處。