沖擊試驗(yàn)的若干問題分析.doc

精品論文推薦沖擊試驗(yàn)的若干問題分析胡榮 首鋼遷鋼公司，河北遷安（064404） e-mail：摘要：沖擊試驗(yàn)是材料性能不可缺少的檢驗(yàn)項(xiàng)目。沖擊功能夠直觀反應(yīng)材料的沖擊韌性， 而夏比沖擊能與溫度的關(guān)系圖可以確定測(cè)試鋼種的韌性向脆性轉(zhuǎn)變的溫度。由于沖擊試驗(yàn)數(shù) 據(jù)容易分散，在試驗(yàn)的過程中，沖擊試驗(yàn)設(shè)備、試樣加工及試驗(yàn)過程中的問題會(huì)影響試驗(yàn)數(shù) 據(jù)的分散。本文將從這三個(gè)方面對(duì)沖擊試驗(yàn)中若干問題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。 關(guān)鍵詞：沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備，試樣，試驗(yàn)，問題，分析沖擊試驗(yàn)是材料性能不可缺少的檢驗(yàn)項(xiàng)目。目前各國(guó)常用的試樣為夏比 v 型缺口沖擊 試樣。沖擊的試驗(yàn)原理，自沖擊試驗(yàn)機(jī)問世以來就一直按能量守恒定律進(jìn)行設(shè)計(jì)制造沖擊試 驗(yàn)機(jī)，按擺錘打斷試樣后勢(shì)能損失多少計(jì)算沖擊功。目前，我國(guó)常用的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是 gb/t229-1994金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法。由于沖擊過程持續(xù)時(shí)間很短，所以在服役中的構(gòu)件往往會(huì)發(fā)生無(wú)預(yù)兆的突然斷裂，而造 成重大事故，因而研究材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。沖擊試驗(yàn)對(duì)材料的組織缺陷很敏感，它能靈敏地反映出材料的宏觀缺陷和顯微組織的微小 變化，因而沖擊試驗(yàn)在材料生產(chǎn)上成為用來檢驗(yàn)冶煉、熱處理及熱加工工藝質(zhì)量的有效方法之一。又由于沖擊試驗(yàn)加工簡(jiǎn)單，試驗(yàn)時(shí)間短，所以得以廣泛應(yīng)用。在工廠做沖擊試驗(yàn)的過程中，經(jīng)常會(huì)碰到試驗(yàn)設(shè)備、試樣加工及試驗(yàn)過程的問題而影響 試驗(yàn)結(jié)果。本文將在沖擊試驗(yàn)過程中碰到的問題作一簡(jiǎn)單分析。1. 試驗(yàn)設(shè)備1.1 沖擊試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)砧座和支座的要求1.1.1 支座的兩個(gè)支撐面應(yīng)平行，且相差不應(yīng)超過 0.05mm。支座應(yīng)使試樣的軸線與擺錘軸線 的平行度在 3/1000 以內(nèi)。1.1.2 砧座兩個(gè)支撐面應(yīng)平行，且相差不應(yīng)超過 0.05mm。支座兩個(gè)支撐面所在平面和砧座兩 個(gè)支撐面所在平面之間的夾角應(yīng)為 900.1。1.1.3 砧座曲率半徑 1mm。曲率圓弧應(yīng)與支撐面平面相切。1.1.4 砧座之間跨距為 40+0.2。21.1.5 試驗(yàn)前，應(yīng)該檢查砧座上是否沾有鐵屑，如果沾有，應(yīng)該及時(shí)清理。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的砧座 上粘有鐵屑時(shí)會(huì)造成兩種結(jié)果：沖擊試樣不能緊靠砧座；沖擊試樣不能準(zhǔn)確地對(duì)中。這兩種 結(jié)果都會(huì)使得沖擊吸收功偏大。如圖 1 所示。5- 2 -圖 1 砧座沾有鐵屑導(dǎo)致沖擊值偏高1.1.6 沖擊試驗(yàn)機(jī)的砧座要經(jīng)常檢查，若磨損的比較嚴(yán)重則會(huì)對(duì)沖擊吸收功產(chǎn)生較嚴(yán)重的影 響，使得沖擊吸收功偏低。1.2 沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘的要求1.2.1 擺錘勢(shì)能與標(biāo)稱能量最大允許誤差為1%。21.2.2 擺桿必須要有足夠的剛度，打擊時(shí)不能產(chǎn)生彈性形變。1.2.3 擺軸必須有足夠的剛度，擺軸是擺錘的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，如果擺軸的剛度不足，擺軸在產(chǎn)生 彈性形變會(huì)吸收功。1.2.4 擺錘自由下垂時(shí)，指針指向最大能量，當(dāng)一次空打后，指針回零。51.3 沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊刀的要求1.3.1 刀刃半徑一般為 2mm 與 8mm。1.3.2 試驗(yàn)前應(yīng)該檢查刀刃，檢查是否松動(dòng)，是否被打平。如圖 2 所示刀刃刀具導(dǎo)腳遠(yuǎn)大于r0.2，屬于不合格刀刃。5圖 2不合格的沖擊刀刃1.3.3 沖擊刀刃不能沾有鐵屑。當(dāng)擺錘刀刃上粘有鐵屑時(shí)，在沖擊時(shí)會(huì)使擺錘不能準(zhǔn)確地打在試樣的正中位置，從而使得沖擊吸收功偏高。2 試樣2.1 沖擊試樣的表面粗糙度和尺寸精度對(duì)沖擊功的影響2.1.1 沖擊試樣的表面粗糙度要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的要求：試樣缺口底部應(yīng)光滑，試樣四個(gè)縱向 面的表面粗糙度 ra1.6m，兩端面 ra25m。因?yàn)闆_擊試樣的表面粗糙度對(duì)沖擊功有一定的 影響，但是在通常情況下因?yàn)楸砻娲植诙榷a(chǎn)生的影響是可以忽略不計(jì)的。而試樣缺口處的 表面粗糙度沒有達(dá)到要求會(huì)造成沖擊功偏低，不能忽略不計(jì)。所以在制備試樣的過程中必須 要保證試樣缺口處的表面粗糙度。2.1.2 沖擊試樣尺寸精度對(duì)沖擊功德影響取決于尺寸偏差有多大，如果說只是幾道的偏差這 對(duì)沖擊吸收功不會(huì)產(chǎn)生大的影響，但是如果偏差過大，而試樣缺口處的尺寸是精確的，這樣 就使得缺口下面的高度偏大或是偏小，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響沖擊吸收功。而缺口處的尺寸精度 對(duì)沖擊吸收功有著非常嚴(yán)重的影響。若缺口深度偏大，則會(huì)造成沖擊吸收功偏低；若缺口深 度偏小，則會(huì)造成沖擊吸收功偏高。但是，缺口尺寸無(wú)論是偏大還是偏小對(duì)剪切面積的評(píng)定 都不會(huì)產(chǎn)生影響。2.2 沖擊試驗(yàn)當(dāng)中， u 型和 v 型缺口的適用情況。在一般的老標(biāo)準(zhǔn)（80 年代）當(dāng)中，大多要求的是 u 型缺口；新標(biāo)準(zhǔn)，大多要求的是 v型缺口。u 型缺口試樣的缺口較淺，缺口底部的弧度半徑較大，較易制作，這種試樣應(yīng)力集中作 用不太強(qiáng)，應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)時(shí)試樣塑性變形的限制也不太大，所以沖擊功和沖擊值都較 高，脆性轉(zhuǎn)變溫度則較低，范圍也較寬。如表 1 所示夏比 u 型缺口試樣尺寸。表 1 夏比 u 型缺口試樣尺寸名稱尺寸公差長(zhǎng)度55mm0.60mm高度10mm0.05mm寬度：標(biāo)準(zhǔn)試樣 小尺寸試樣 小尺寸試樣10mm7.5mm5mm0.10mm0.10mm0.10mm缺口角度/缺口下面的高度8mm 或 5mm0.05mm缺口底部半徑1mm0.07mm試樣兩端至缺口對(duì)稱面的距離27.5mm0.30mm缺口對(duì)稱面與試樣縱軸的角度901 試樣相鄰縱向面間的夾角900.5 上世紀(jì) 70 年代末，為適用鋼質(zhì)海船建造規(guī)范，又頒布了 gb2106-1980 金屬夏比（v形缺口）沖擊試驗(yàn)方法。由于兩種試樣的缺口深度一樣，而缺口底部半徑不同，u 型為 1mm，v 型為 0.25mm，因此，v 型應(yīng)力相對(duì)集中，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊時(shí)，就顯得更敏感。如表 2 所- 7 -示夏比 v 型缺口試樣尺寸。表 2 所示夏比 v 型缺口試樣尺寸名稱尺寸公差長(zhǎng)度55mm0.60mm高度10mm0.05mm寬度：標(biāo)準(zhǔn)試樣小尺寸試樣 小尺寸試樣10mm7.5mm5mm0.10mm0.10mm0.10mm缺口角度452缺口下面的高度8mm0.05mm缺口底部半徑0.25mm0.025mm試樣兩端至缺口對(duì)稱面的距離27.5mm0.30mm缺口對(duì)稱面與試樣縱軸的角度901試樣相鄰縱向面間的夾角900.5其實(shí)，沖擊試驗(yàn)有多種試驗(yàn)方法，亦有不同的尺寸、不同缺口和不同形狀的試樣。它們應(yīng)力集中作用及應(yīng)力分布狀態(tài)各不相同，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響有很大的差異，因此不能彼此比 較或換算。具體選擇何種缺口型式的試樣，應(yīng)由構(gòu)件（產(chǎn)品）規(guī)范和材料標(biāo)準(zhǔn)確定。至于為 何新標(biāo)準(zhǔn)多采用 v 型試樣，除上述原因外，試樣加工技術(shù)的提高亦是其中之一，現(xiàn)在加工 v 型缺口已有專用拉床，加工精度能達(dá)到規(guī)定要求。3 試驗(yàn)3.1 試樣溫度及溫度測(cè)量3.1.1 對(duì)于室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)在室溫11035 下進(jìn)行.如要求嚴(yán)格,在控制室溫 20 2下進(jìn)行(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 23 5 )3.1.2 對(duì)于高溫沖擊試驗(yàn)，試樣加熱至規(guī)定的試驗(yàn)溫度,溫度偏差允許2。由于試樣從高溫爐移出,在室溫環(huán)境和與支座接觸,溫度會(huì)降低, 按本方法結(jié)合打擊時(shí)間, 需附加過熱度(也應(yīng)考慮過熱對(duì)材料性能的影響)3.1.3 對(duì)于低溫沖擊試驗(yàn)，試樣冷卻至規(guī)定溫度,允許溫度偏2。由于試樣從低溫移出至室 溫環(huán)境和與支座接觸,溫度會(huì)升高, 按本方法結(jié)合打擊時(shí)間，需附加過冷度。3.1.4 試樣加熱或冷卻所選用的熱源,冷源和介質(zhì)應(yīng)安全,無(wú)毒,不腐蝕試樣。3.2 試樣定位3.2.1 試樣缺口對(duì)稱面偏離兩支座對(duì)稱面應(yīng)不大于 0.5mm. 為能達(dá)到此要求,一般采用適合 試樣缺口形狀的定位規(guī). 偏離越大,沖擊吸收功增加越明顯 如采用端頭定位,定位桿或定位塊,在定位后應(yīng)退離定位點(diǎn)13mm, 以避免試樣碰擊到 定位桿(塊).3.2.3 如在高溫試驗(yàn)中采用端頭定位,還應(yīng)考慮試樣熱膨脹影響,按下式計(jì)算修正量6（包括然()膨脹，總偏差在 0.5mm 范圍內(nèi)）：l = 27.5 t t0式中:l 半長(zhǎng)度膨賬量, 線賬系數(shù), t試驗(yàn)溫度，t0 室溫3.3 試驗(yàn)要求3.3.1 試驗(yàn)應(yīng)在經(jīng)校準(zhǔn)合格的沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。13.3.2 如為模擬指示沖擊機(jī),試驗(yàn)前,使擺錘靜止處于鉛垂?fàn)顟B(tài),檢查被動(dòng)指針是否準(zhǔn)確指示最 大值。3.3.3 試驗(yàn)前,空擊試驗(yàn),檢查能量指示是否回零。如果不能回零，則能知道擺錘的仰角不在偏 差范圍之內(nèi)或者是沖擊試驗(yàn)機(jī)度盤相對(duì)試驗(yàn)機(jī)的位置發(fā)生偏離。這樣能及時(shí)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行調(diào) 整，保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。003.3.4 試驗(yàn)前,檢查支座是否緊固,測(cè)量試樣跨距是否在 距增加沖擊吸收功降低。400m.5 m 以內(nèi)(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定400).2，跨3.3.5、試驗(yàn)前,檢查并清除前次試驗(yàn)留在支座半徑區(qū)并沾附著的金屬屑.粘屑會(huì)附加沖吸收擊 功。3.3.6 試樣必須對(duì)中。如果試樣不對(duì)中，這樣就增大了試樣對(duì)擺錘的沖擊阻力，從而就會(huì)致 使沖擊吸收功偏高。如圖 3 所示沖擊瞬間試樣軌跡5ffwfwfs40fsfyfy圖 3沖擊瞬間試樣軌跡圖3.3.6 試樣從高溫或低溫環(huán)境移出,如為液體介質(zhì) 2s 以內(nèi)打擊試樣, 如為氣體介質(zhì) 1s 以內(nèi)打 擊試樣。3.3.7 如不能滿足這樣的時(shí)間要求,必須在 3s5s 打擊試樣,此時(shí)必須加過熱或過冷度。3.3.8 轉(zhuǎn)移試樣與試樣接觸的工具的溫度應(yīng)與介質(zhì)溫度相同.一般將轉(zhuǎn)移工具置于試樣加熱 或冷卻的環(huán)境中。3.3.9 試樣移出后 5s 內(nèi)未被試驗(yàn),應(yīng)重新保溫后試驗(yàn)。3.4 試驗(yàn)結(jié)果處理3.4.1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),至少保留 2 位有效數(shù)字。根據(jù)沖擊試驗(yàn)機(jī)的示值辨力,數(shù)據(jù)末位保留到分 辨力為單位。對(duì)于數(shù)字式,分辨力為末位跳動(dòng) 1 個(gè)字碼; 模擬式,為最小分度值的一半。33.4.2 數(shù)據(jù)不做修約。建議平均值數(shù)據(jù)可以多保留一位。3.4.3 由于沖擊試驗(yàn)機(jī)打擊能量不足,試樣未折斷時(shí),在試驗(yàn)數(shù)據(jù)前加大于符號(hào) “”。其他情況(指打擊能量足夠而未被折斷情況),注明 “未折斷”。 4,63.4.3 不同缺口形狀或不同尺寸的試樣,試驗(yàn)結(jié)果不能直接換算1 (除非已通過試驗(yàn)準(zhǔn)確獲知 換算關(guān)系)。3.4.5 試驗(yàn)后斷口顯現(xiàn)肉眼可見裂紋(例如淬火裂紋)或缺陷(例如夾渣,縮孔,異金屬,分層,氣孔 等),應(yīng)注明。3.4.6 試驗(yàn)時(shí)誤操作,數(shù)據(jù)無(wú)效；試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)卡錘現(xiàn)象1,數(shù)據(jù)無(wú)效,(數(shù)據(jù)一般偏大)。3.5 沖擊試驗(yàn)斷口評(píng)定方法3.5.1 對(duì)于金屬夏比沖擊斷口形貌的測(cè)定,目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) gb/t12778-1991金屬夏比沖擊 斷口測(cè)定方法規(guī)定了三種方法:(1) 比較法, (2) 直接測(cè)量法, (3)放大測(cè)量法. 63.5.2 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法,通常采用的韌性斷面率1 (纖維斷面率)評(píng)定方法有 5 種方法: 比較法: 采用將斷口與如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或美國(guó) astm e23 標(biāo)準(zhǔn)給定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物斷口形貌 圖比較確定. 測(cè)量法: 測(cè)量斷口晶狀斷裂部分面積的長(zhǎng)度和寬度(作近似矩形面積)或上、下底高(作 近似梯形面積),計(jì)算其面積。 放大測(cè)量法：a. 把試樣斷口拍片放大，利用求積儀測(cè)量。b. 利用低倍顯微鏡等光學(xué)儀器（圖象分析技術(shù)）測(cè)量。 用帶標(biāo)尺的方孔卡片法、網(wǎng)格卡片法。3.5.3 夏比沖擊斷口形貌的評(píng)定,其準(zhǔn)確度并不很高.按照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) bs 131-5:1965結(jié)晶度的 測(cè)定提示,前述的 “比較法”法,對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的操作人員能達(dá)到約 10%的準(zhǔn)確度,而其他幾種 方法準(zhǔn)確性相對(duì)高些. 但比較法簡(jiǎn)單方便。圖 4 所示管線鋼 l555mb 的沖擊試樣在-20的 條件下打斷的試樣斷口。圖 4 沖擊試樣斷口（l555mb, -20 ）在做沖擊試驗(yàn)的過程中，試驗(yàn)設(shè)備、試樣及試驗(yàn)過程都會(huì)影響試樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。每當(dāng) 我們做一組沖擊試驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散比較嚴(yán)重，就應(yīng)該考慮是哪些方面出現(xiàn)了問題 影響了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。以上是我在工作中總結(jié)出的一些問題，并作了簡(jiǎn)單的回答。在此，特 別要感謝國(guó)家鋼鐵研究總院測(cè)試所對(duì)本文提供的幫助。參考文獻(xiàn)1梁興邦/李久新，gb/t229-1994 金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，北京，1994 2郭永祥等，gb/t3808-2002 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，北京，2002 3吳傳義，gb8170-87 數(shù)值修約規(guī)則，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，北京，20064 梁興邦/李久新，gb/t229-1994 金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法實(shí)施指南，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，北京，2006 5王春華，擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的檢定，中實(shí)國(guó)金國(guó)際實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證研究中心，20076張莊，yjl006 金屬韌性試驗(yàn)技術(shù)，中實(shí)國(guó)金國(guó)際實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證研究中心，2007analyse some questions about impact testhu rongshougang qianan steel&iron co.,ltd，qianan，hebei (064404)abstractimpact test is the 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