分享：3种金属材料夏比冲击试验方法标准分析及对比

宋秀文

(大连大重检测技术服务有限公司,大连 116031) 

摘 要:从试验原理、试样要求、试验设备、试验程序、冲击试验结果处理及报告等方面对 GB/T 229-2007,ENISO148-1:2016,ASTM E23-18等3个金属材料夏比冲击试验方法标准进行了 分析 和 对 比。结 果 表 明:GB/T229-2007 和 ENISO 148-1:2016 的 内 容 基 本 相 同;ASTM E23-18冲击试验标准相比 GB/T229-2007和ENISO148-1:2016,在试样尺寸及设备尺寸公差 方面要求更为严格,相关的试验规定也更加详细。

关键词:夏比冲击试验;标准对比;试样要求;试验设备 中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0045-04

工程机械中的许多零部件是在快速加载即冲击 载荷条件下工作的,如汽车在凸凹不平的道路上行 驶、飞机的起飞和降落等。韧性可分为静力韧性、冲 击韧性和断裂韧性,其中冲击韧性的试验方法,按其 服役工况有夏比冲击试验、艾氏冲击试验及冲击拉 伸试验等。其中夏比冲击试验因其试样加工简便、 试验时间短,试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等 敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一 种传统力学性能试验,也是评定金属材料在冲击载 荷下韧性的重要手段之一[1-2]。 随着我国同欧美国家在工业、科技和贸易等方 面合作日益密切,很多场合都要按照欧美标准测试 金属材料的力学性能,因此有必要将中国和欧洲及 美国有关金属材料夏比冲击试验方法标准之间存在 的差异和联系进行比对,以便试验人员及时掌握相 应试验标准。 中国的钢 产 品 冲 击 试 验 标 准 一 般 采 用 GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》,该标 准修改采用ISO148-1:2006《金属材料 夏比摆锤冲 击试验 第1部分:试验方法》。 欧洲国家 的 钢 产 品 冲 击 试 验 标 准 为 ENISO 148-1:2016《金属材料 夏比摆锤冲击试验 第 1 部 分:试验方法》。ISO148-1:2016 被欧洲标准化委 员会(CEN)批准为 ENISO148-1:2016,且没有任 何修改,在欧洲 CEN 成员国中执行。 美国的钢产品冲击试验标准有 ASTM A370- 18《钢 制 品 力 学 性 能 试 验 的 标 准 试 验 方 法》中 的 20~30部分和 ASTM E23-18《金属材料缺口试样标准 冲 击 试 验 方 法》两 种 试 验 方 法,由 于 ASTM A370-18用于测试钢、不锈钢和相关合金产品的力 学性能,并且冲击试验仅规定采用夏比 V 型缺口冲 击试 样,因 此 笔 者 对 GB/T 229-2007,ENISO 148-1:2016及 ASTM E23-18等3种标准进行了 分析与对比。

1 试验原理

GB/T 229-2007,EN ISO 148-1:2016 及 ASTM E23-18这3个冲击试验标准的试验原理 均是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座 之间,缺口背向打击面放置,用摆锤一次打断试样, 测定试样的吸收能量。

2 冲击试样要求

2.1 试样尺寸要求

由表1可知,3个标准的试样总体分类基本相 同,标准试样均为10 mm×10 mm×55 mm,在试 样长度中间均有 V 型或 U 型缺口。3个标准中 V 型缺 口 小 试 样 尺 寸 均 开 有 10 mm×7.5 mm× 55mm 及 10 mm×5 mm×55mm 及 10 mm× 2.5mm×55mm 这3种,另外 ASTM A370-18中 对 V 型缺 口 小 试 样 尺 寸 规 定 还 可 采 用 10 mm× 6.7mm×55mm 及10 mm×3.3 mm×55 mm 两 种类型的试样。GB/T229-2007和 ENISO148- 1:2016 中 U 型 缺 口 小 试 样 尺 寸 有 10 mm × 7.5mm×55mm 和10mm×5mm×55mm 两种, 而 ASTM E23-18 中 U 型缺口无小 试 样 尺 寸 规 定。3个标准中试样 V 型缺口角度均为45°,缺口根 部半径均为0.25mm,缺口深度均为2mm;U 型缺 口根部半径均为1mm,缺口深度 ASTM E23-18 和 ENISO148-1:2016均为5mm,但 GB/T229- 2007还增加了深度为2mm 的缺口试样,另外JB/ T6397-2006《大型碳素结构钢锻件 技术条件》附 录 A 还规定了一种 U 型缺口深度为3mm 的冲击 试样,在国标冲击试验中 U 型缺口深度为2mm 和 3mm 的这两种试样较为常用。3个标准对尺寸公 差的具 体 要 求 详 见 表 1,由 表 1 可 以 看 出 ASTM E23-18对冲击试样尺寸公差的要求较 GB/T229 -2007和 ENISO148-1:2016的更为严格。由于 冲击试样缺口尺寸的变化会严重影响试验结果,因 此在试验中应特别注意 V 型缺口的检查,在使用投 影仪检查 ASTM E23-18冲击试样缺口时,必须使 用符合 ASTM E23-18标准的冲击试样样板。

2.2 试样的表面粗糙度要求

GB/T229-2007 和 ENISO148-1:2016 要 求 试 样 表 面 粗 糙 度 Ra 应 优 于 5μm,端 部 除 外 ;ASTM E23-18 要 求 粗 糙 度 在 缺 口 表 面 和 背 面 小 于 等 于 2μm,在 其 他 两 个 表 面 小 于 等 于 4μm。

3 试验设备

3个标准使用的摆锤式冲 击 试 验 机 主 要 由 机 架、摆锤、钻座、指示装置及摆锤释放、制动和提升机 构等组成,其基本参数、结构形式及操作方法大同小 异,但冲击锤刃、砧座及试样支座等的尺寸公差略有 不同。由表2可知,3个标准中试验机锤刃半径为 2mm 和8mm 两种,而大多数情况下,GB/T229- 2007和 ENISO 148-1:2016 冲 击 试 验 规 定 使 用 2mm 锤刃,ASTM E23-18 冲 击 试 验 规 定 使 用 8mm 锤刃;GB/T229-2007 和 ENISO 148-1: 2016中要求砧座圆角半径为(1~1.5)mm,ASTM E23-18中则要求砧座圆角半径为(1±0.05)mm; GB/T229-2007和 ENISO 148-1:2016中要求砧 座跨距应保证(40+0.2)mm,ASTM E23-18中则 要求 砧 座 跨 距 应 保 证 (40±0.05)mm。 另 外, ASTM E23-18中规定了锤刃及砧座表面粗糙度 Ra≤0.1μm,GB/T229-2007和 ENISO148-1: 2016未对锤刃及砧座表面粗糙度进行规定。总体 来说 ASTM E23-18对试验机的特征参数的尺寸 公差要求更为严格。 对于冲击试验机的能力范围,3个标准规定上 限为试验机最大能量的80%,GB/T229-2007规 定下限为试验机最小分辨力的25倍,ASTM E23- 18规定下限为25倍的刻度或读出装置在15J时的 分辨力

4 试验程序 

4.1 试验设备的准备 

GB/T229-2007规定试验前应检查摆锤空打 时的回 零 差 或 空 载 能 耗,并 检 查 砧 座 跨 距 (40+ 0.2)mm,回零差不应大于摆锤最大能量的0.1%。 ENISO148-1:2016规定在每天试验前应检查摩擦 损 耗,且 不 超 过 0.5% 的 标 称 能 量。 ASTM E23-18规定在每天、每个班次或者每个试验间歇 期在进行试验之前都应对试验机进行检查,包括对 摆锤和支座进行目视检查、试验机的0刻度位置及 摩擦和风阻损耗,摩擦和风阻损耗应不超过0.4% 的被测刻度范围,同时变化应不会超过10%的先前 设备记录的百分比摩擦和风阻损耗测量值。

4.2 试验温度

对于室温冲击试验温度,GB/T229-2007 和 ENISO148-1:2016 规 定 应 在 (23±5)℃ 进 行, ASTM E23-18 规 定 应 在 (20±5)℃ 进 行,而 ASTM A370-18 则 规 定 室 温 试 验 温 度 为 15~ 32 ℃。对于试验温度有规定的,GB/T229-2007 和 ENISO148-1:2016规定应在规定试验温度的±2 ℃进行,ASTM E23-18规定应在规定试验温 度的±1 ℃进行,具体见表3。 试样在冷却或加热介质中的保持时间,GB/T 229-2007规定,当使用液体介质冷却试样时,试样 应在规定温度下保持至少5 min,当使用气体介质 冷 却 试 样 时,试 样 应 在 规 定 温 度 下 保 持 至 少 20min,另外,对于试验温度不超过200 ℃的试验, 试样 应 在 规 定 温 度 ±2 ℃ 的 液 池 中 保 持 至 少10min,对于试验温度超过200℃的试验,试样应在 规定温度 ±5 ℃ 的 高 温 装 置 内 保 持 至 少 20 min。 ENISO148-1:2016和 ASTM E23-18规定试样 在液体介质中至少保持5 min,在气体介质中至少 保持30min。总体来说 GB/T229-2007对试验温 度的规定更为详细。 

4.3 试样的转移 

3个标准均要求试样从高温或低温装置中移出 至打断的时间应不大于5s,且移出装置和试样的接 触部分要与试样一起加热或冷却,但 ENISO148- 1:2016中规定如果环境温度或仪器温度与试样温 度之差小于25 ℃时,试样移出至打断时间应小于 10s。其中 GB/T229-2007还特别注明了试样从 高温或低温装置中移出至打断时间为3~5s时的 温度补偿。

5 冲击试验结果处理及报告

5.1 数值修约

GB/T229-2007中规定,冲击吸收能量应至少 估读到0.5J或0.5个标度单位(取两者之间较小值), 试验结果至少保留两位有效数字,ENISO 148-1: 2016和 ASTME23-18对数值修约没有明确规定。 5.2 试样未完全断开的处理 试 样 未 完 全 断 开 时,GB/T 229-2007 和 ASTM E23-18两个标准对试验结果的报告情况 基本相似,其中 ASTM E23-18中对小于试验机能 力80%的未断开试样,如果报 告 未 列 出 各 个 试 验 值,则应报告未断开试样的百分比数及平均值,但是 ENISO148-1:2016对未完全断开的试样未作明确 规定。对于未断开的试样,3个标准给出的规定基 本相似。3个标准对试样未完全断裂及未断开的报 告描述具体见表4。 随着国内外金属材料生产工艺的不断提升,材 料的冲击韧性越来越好,冲击试验后试样大多数没 有完全断裂为两半,而材料验收试验是用以评估最 低验收要求的试验,因此 ENISO148-1:2016对未 完全断裂的试样未作相关规定,此要求操作方便更 符合一般的生产制造性企业的检测试验需求。

5.3 冲击吸收能量的表示

由表4可知,ASTM E23-18没有冲击吸收能 量的 表 示 符 号,而 GB/T 229-2007 和 ENISO 148-1:2016冲击吸收能量均表示为KV2,KV8,KU2, KU8 等4种符号,其中下标 V 和 U 分别表示缺口类 型,下标2和8表示锤刃半径,如 KV2 表示 V 型缺 口试样在2mm 锤刃下的冲击吸收能量。

6 结束语

笔者对中国、欧洲和美国冲击试验方法标准中 关于冲击试验原理、试样尺寸、试验设备、试验程序 及试验结果等方面进行了比较,并对标准中的一些 规定进行了讨论。因国标(GB)和欧标(EN)冲击试 验标准均源自于ISO148-1,只是源自ISO148-1的 年号不同,所以 GB和 EN 冲击试验标准基本相同。 美标(ASTM)冲击试验标准相比 GB和 EN,在试样 尺寸及设备尺寸公差方面要求更为严格,相关的试 验规定也更加详细。因此,试验人员在采用这3个 标准时,应特别注意这3个标准的不同之处。

来源：材料与测试网