GB/T 229—2020金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法簡析和與美標的對比

揭輝經 張 曄 蘇忠亮

夏比（Charpy）擺錘沖擊試驗是用于材料在沖擊載荷下試樣破斷過程中吸收能量的能力的一種試驗方法。它主要用于評價金屬材料的沖擊韌性，由于其試驗時間短，試樣加工簡便，材料組織結構、冶金缺陷等對試驗結果影響大，因而成為一種被廣泛接受的力學性能試驗方法[1,2]。

從1963年起，我國就制定了第一版“夏比擺錘沖擊試驗方法”的方法標準。2021年4月1日，最新版本GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》[3]在我國開始實施。標準內容較前一版有了一定程度的技術變化，其中主要包括：①增加了無缺口試樣及相應要求；②增加摩擦損耗的測定；置及試樣制備》[5]。對應于美標，其沖擊試驗標準由ASTM A370—19、ASTM A673—17和 ASTM E23—18組成[6-8]。ASTM A370—9規定了鋼產品的沖擊試驗方法；ASTM A673—17規定了沖擊試樣的取樣位置和方向；ASTM E23—18規定了金屬材料缺口沖擊試驗的試驗方法。

在本文中，將對新實施標準GB/T 229—2020的主要內容進行簡要分析，包括沖擊試樣、摩擦損耗、試驗溫度、沖擊結果以及試驗報告內容等，并結合相對應的美國標準（以下簡稱美標）內容進行分析。

沖擊試樣

1.沖擊試樣的尺寸與偏差

GB/T 229—2020方法適用于V型、U型和無缺口試樣的沖擊試樣。由于大部分鋼產品要求V型缺口沖擊試驗，因此在此部分以討論在V型缺口時的標準試樣尺寸要求與偏差為例。

從表1可以看出，美標在厚度、缺口角度、韌帶寬度、試樣相鄰縱向面間夾角和表面粗糙度的允許偏差上都有更為嚴格的要求。而在長度和缺口對稱面-端部距離這2項中2種標準有著不同的要求。

表1 V型缺口標準試樣的尺寸與偏差

除了帶缺口試樣外，新版本的國標還增加了無缺口試樣。對于無缺口試樣，尺寸與偏差的要求與V型缺口試樣相同（缺口要求除外）。而在美標中，對無缺口試樣有更為詳細的說明。首先，通常認為粉末冶金材料適合使用無缺口試樣。其次，這一類材料的沖擊試驗結果受試樣方向的影響較大，因此詳細規定了沖擊的方向。最后，對無缺口試樣的尺寸偏差要求也單獨進行了規定，較缺口試樣的要求更為寬松。

2.試樣的取樣與制備

GB/T 229—2020中規定試樣的取樣除了按相關產品標準之外，還應按GB/T 2975的規定進行。GB/T 2975—2018中規定了各類產品的取樣位置，包括型鋼、棒材、鋼板和管材。試樣的制備過程中應減少任何可能導致材料發生改變的影響（比如加熱或冷作硬化）。

ASTM E23—18中試樣的取樣位置按ASTM A673—17的規定執行，與GB/T 2975的規定相類似。但是由于使用的產品具體情況有所差別，因此不在本文中一一描述。而對于試樣的制備過程，美標僅對熱處理材料進行了描述：當需要評價熱處理對材料性能的影響時，則要在熱處理完成后進行制備工序（包括開缺口），除非能證明缺口試樣在熱處理前后沖擊性能是一致的。

3.試樣的標記

GB/T 229—2020中規定試樣的標記可以標在不與支座、砧座及擺錘錘刃接觸的試樣表面上。由于標記造成的塑性變形和表面不連續性不應對吸收能量產生影響。另外，對于具體用于做標記的手段沒有詳細的規定。

在美標中一致性標記可以被標在以下幾個位置：①試樣兩端10mm?10mm的端面處；②當試樣放置在砧座上時試樣朝上的面；③缺口的背面。在所有面中，缺口中心線10mm范圍內均不允許有標記。永久性記號筆、激光雕刻、靜電筆等合理手段都可以用于標記。但是方法使用不正確會導致試樣受損，比如靜電筆產生的過熱或者打鋼印造成的變形均會影響結果。

試驗過程

1.摩擦損耗的測定

新版本的GB/T 229在試驗程序中新增了摩擦損耗的測定。較之前的版本，摩擦損耗的測定沒有在方法標準中規定，只有在檢定規程中有規定。而新版本中，需要在每天開始試驗之前對摩擦損耗進行測定，以此來確保試驗儀器處于一個較好的狀態中。

2份標準中對摩擦損耗測定方法的描述幾近相同。首先升起擺錘至鎖定位置。在無樣品安裝的情況下，移動指針至零位處后釋放擺錘。然后讓擺錘自由擺動5個周期（擺錘向前和向后合起來算1個周期）。在第六個周期向前擺動之前，將指針撥動到約滿量程的5%位置（美標中規定5%～10%）。在第六個周期向前擺動完成后記錄下指針數值，并轉換為吸收能量值。將該能量值除以10后，再除以量程值乘以100即可得摩擦損耗及風阻損耗的百分比。GB/T 229—2020中規定摩擦損耗不應超過量程值的0.5%，若超過此限制的話，則應考慮清潔或更換軸承。而在ASTM E23—18中，該摩擦損耗的百分比不能超過量程的0.4%，且與之前測定的損耗百分比之間差距不能超過10%。因此美標在對摩擦損耗的規定上較國標的要求更為嚴苛。

2.試驗溫度的要求

GB/T 229—2020中規定沖擊試驗應在23℃±5℃（室溫）進行。對于試驗溫度有規定的沖擊試驗，試樣溫度應控制在規定溫度±2℃范圍內進行。

對于試驗溫度有規定的沖擊試驗，試樣通常放在液體介質或者氣體介質中冷卻或加熱。使用液體介質時，液體介質溫度應控制在規定溫度±1℃以內，并且在介質中至少保持5min。使用氣體介質時，介質溫度應控制在規定溫度±1℃以內，并且在介質中至少保持30min。試樣從高溫或低溫介質中移出至打斷的時間應控制在5s以內（當室溫或儀器溫度與試樣溫度差小于25℃時，可以延長轉移時間至10s以內）。

ASTM E23—18中規定室溫條件下沖擊試驗應在20℃±5℃下進行。有規定試驗溫度時，應保持試樣溫度在規定溫度±1℃以內。當使用液體或氣體介質時，保持時間和溫度控制要求均與國標要求相同。另外，有特別指出轉移試樣的設施（如夾鉗）應同樣放在介質中保持至少5min，并在試驗的間隙將設施放在介質中。從上述規定中可以看出，美標對溫度控制的要求較國標更為嚴格，并且通過對夾持設施的規定，盡可能地減少試樣在轉移過程的溫度改變。

3.沖擊結果的處理

當沖擊試驗完成后，需要對吸收能量、試樣是否斷裂、是否卡錘和試樣標記處是否明顯變形進行判斷和處理。

（1）對吸收能量的判斷

GB/T 229—2020中規定吸收能量上限應不能超過滿量程的80%。如果超過此限制，結果應在報告中報告為近似值并注明超過了試驗機能力的80%。在美標中，這一判斷是一致的。

（2）試樣未完全斷裂的情況

在國標中，當試樣未完全斷裂時，應在其他非材料驗收試驗報告中注明情況。若試驗機能力不足且測定的吸收能量超出能力范圍時，則不能報出吸收能量，且應注明吸收能量超出試驗機能力上限。而ASTM E23—18規定在遇到試樣未斷裂的情況時，報告中應先注明未斷裂，然后判斷其吸收能量是否超過試驗機的80%。若吸收能量不超過80%，則在報告中可以使用該結果，但需要注明其試樣是未斷裂的；若吸收能量超過80%，且試樣完全通過了砧座，則報告其結果為近似值，不與其他試驗結果一同計算平均值；若吸收能量超過80%，但試樣未通過試驗機砧座時，則可以判斷并報出吸收能量超過試驗機范圍。

（3）試樣卡錘的情況

試樣發生卡在試驗機的情況時，試驗結果無效，且需要檢查是否造成影響其校準狀態的損傷。這一處理在兩種標準中是描述一致的。

（4）試樣標記處的檢查

GB/T 229—2020中規定在斷后試樣的標記處若發現明顯變形，試驗結果可能不代表材料的性能，并且應在試驗報告中注明。由于標記處發生變形，表明試樣的標記已經造成了表面的不連續性，影響了其吸收能量。

試驗報告

GB/T 229—2020中較舊版本中新增了部分報告內容，其中含有必要的內容（即試樣是否破斷的描述）和可選的內容（即直接和間接校準日期和測量不確定度）。目前國標所含有的報告內容已經完全涵蓋了美標所描述的報告內容。

對于沖擊吸收能量的修約，GB/T 229—2020中要求應估讀到0.5J或0.5個分度單位，且應至少保留兩位有效數字。ASTM A370—19中則規定修約到ft－lbf(J)。

總結

通過對中國和美國關于沖擊試驗標準的比較分析，發現兩者在沖擊試樣、沖擊試驗機、試驗過程和報告內容均有相似之處。但是從具體的細節來看，美標對試樣尺寸偏差、試驗機的穩定性和試驗溫度的控制上均有更為嚴格的要求；在無缺口試樣的適用描述、試樣制備、試樣標記和試驗結果處理的描述更為詳盡。雖說國標與美標在要求的嚴苛性和描述的完整性上還有一定差距，但GB/T 229—2020在此次更新中進行了一定的技術指標變化，彌補了一些以往版本的不足。對于檢測機構而言，執行不同國家的檢測方法，不僅要求對試驗過程有了解，還需要認識到對試驗機和其他相應設施要求的不同。