夏比Ｖ型冲击试验的尺寸效应及工程应用.pdf

夏比V型冲击试验的尺寸效应及工程应用夏比v型冲击试验广泛应用于钢制品的质量检验并形成了规范，用以评 价材料（或构件）的冶金质量，特别是规定温度下材料的抗断裂能力。试验通常采用尺寸为10mmx 10mmx55mm的标准试样，将试验结果 与技术要求值进行比较后，可以判断材料是否合格。当工件受尺寸限制，不能制备标准试样时，可采用非标准小尺寸试样，且各标准或规范给出 了采用小尺寸试样时要求值按有效截面积折算的方法。然而，工程实践 中这样的折算方法时常被泛化，被误认为小尺寸试样与标准试样之间 始终存在着比例关系。为此，笔者以Q245R钢板为研究对象，对不同尺 寸的试样在不同温度下进行了夏比V型冲击试验，研究了夏比V型冲击 试验的尺寸效应问题，同时对小尺寸试样在工程应用中主流标准处置方 法以及方法之间差异等问题进行了探讨，以期为相关人员提供参考。1试样制备与试验方法1.1 试样制备试验材料为正火态Q245R钢板，钢板厚度为25mm,其化学成 分（质量分数/%）为 0.19C,0.28Si,0.64Mn,0.01 P,0.004S,0.05AI,0.001 Nbz0.014Tiz0.002V;该钢板的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为7.5级。沿钢板横向取样，试样轴线位于钢板1/2处，V型缺口垂直于钢 板表面，试样表面采用磨床磨光，缺口采用专用成形铳刀加工，缺口底 部高度为（80.025）mm,在投影仪下50倍放大检查，加工质量需符合 GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法的要求。试样共制 备5组，第1组为10mmx 10mmx55mm标准试样（以下简称为标准 试样）72 个；第 2 4 组分别为 7.5 mmx 10mmx55mm,5 mmx10 mm x55 mm,2.5mmx10mmx55mm非标准小尺寸试样（以下分别简称为 7.5,5,2.5mm小尺寸试样）各72个；第5组为取自钢板不同部位的厚 度为525mm小尺寸试样各18个。1.2 试验方法将上述第1 4组试样每组分成8份，每份9个试样，按GB/T 19748-2005钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法分别 在-80,-60,-40,-30,-20,0,20,40共8个温度下采用RKP450型冲击试 验机对每份试样进行冲击试验。第5组两种试样各分为2份，一份在砧 座上加装垫片，另一份砧座上不加装垫片，在室温下采用RKP450型冲 击试验机进行冲击试验，这样一方面评估试验材料冲击韧度的均匀性，另一方面评估试样尺寸改变后，摆锤打击中心的微小变化对于试验结果 的影响。冲击试验机摆锤刀刃半径为2 mm,锤头最大冲击能量为450J,冲击速度为5.2m.s-1o低温冷却介质为酒精，室温以上加热介质为水，采用数显温度计测温，不给予温度补偿，试样从移出到打断的时间控制 在5s以内。试验机自动采集载荷-位移曲线，读取冲击吸收能量KV、裂 纹形成能量Wi（最大力之前消耗的能量）、裂纹扩展能量Wp（最大力 之后消耗的能量）等。试验后，采用游标卡尺测量试样的韧性断面率，从而得到韧脆转变温度曲线。冲击试验的误差来源较多，试验结果可能存在离散。为尽可能减 小外因干扰，试验除保证所有试样均取自于同一钢板以外，每个温度下 试验9个试样，并在数据处理时去除一个最高值和一个最低值。虽然这 样的处理方式欠严谨，但仍可视为减少试验误差的简单方法。2试验结果2.1第14组试样冲击试验图1为不同尺寸试样的冲击吸收能量和裂纹形成能量随温度变化 的手工拟合曲线。表1给出了不同尺寸试样在不同温度下冲击吸收能量 的平均值，以及小尺寸试样与标准试样的冲击吸收能量比值。60402iiM8ii6(i4ii2iiUIX 11a)10 imn807()(M)50403020loo.u5 0 5 0 5 0 53-3.ASME BPVCWIII.I：20172710115/KV 1 12.5l kv 28207.5/KV-5EN 13445：20142710145/kv 20307.5f KV 51010205/kv 2024X75%7.5241()150 201124X50%5XB/T 47016 2011311()31X75%7.531X50%5注：1)冲击吸收能#规定值特指承压设备、核电装备等为防I卜悦斯而提出的材科韧性要求佰不包含诸如原材料标班中所示的某材科应该能 够达到的验收侪；2)/K为标准试样的试验温度n表4 不同冲击吸收能量规定值下不同尺寸试样 对应的冲击试验温度Tah.4 Impact test temperature corresponding to different size samples under specified value of the different impact absorption energy冲击吸收能 不同尺寸小试样相对标准试样的试验温度/Kv/(-：-：-：-量规定值/J7.5 mm5 mm2.5m ni27-35，kv 9f kv 18I KV-3540-28r kv-10/kv 15t KV-2568-17 11，kv 6t KV-16由表4可知，对应冲击吸收能量规定值为27J,10mm标准试样的 试验温度为-35(,7.5,5,2.5mm试样的试验温度比标准试样的分别低 9,18,35。因此可知冲击吸收能量规定值为27J是材料或构件是否合格 的门槛值，为了达到同等严厉程度考核，在选用小尺寸试样时应降低 试验温度。对于冲击吸收能量规定值为40z68J时，试样的情况基本相似 且试验温度差有减小趋势。对比表3和表4可以发现，试样的试验温度差与ASME BPVC.VIIL1:2017ffi EN 1 3445:2014给出的调整温度存在差异，分析认 为这是正常现象，有助于理解建立限定关系”这一复杂过程。金属材料的冷脆及韧脆转变是一个复杂的问题。对于具有明显冷 脆倾向的碳钢及中低合金钢，当钢号不同或者同一牌号钢材的化学成分 和制造工艺存在差异时，材料的韧脆转变行为会发生变化。如冲击吸收 能量-温度曲线的韧脆温度区间、冲击吸收能量上下平台区间、曲线沿温 度位置变化等均可能存在差异，这些差异将传递给小尺寸试样，使采用 小尺寸试样来评价韧性的问题变得更复杂。要想得到适宜众多材料的可 靠的小尺寸试样调整试验温度的标准，就必须积累大量试验数据，综合 考虑构件服役条件下脆断的内因和外因，并达成某种妥协，最终确立 适宜工程应用的简单、有效的方法。表4中的试验数据仅代表个体，可 视为众多材料有关数据样本之一，并作为ASTM E23:2016中建立限定 关系这一复杂过程的佐证。由上述分析可知,ASME BPVC.VIH.1:2017 和 EN 13445:2014 对 于小尺寸试样给予调整温度的方法是合理的，尽管两者调整幅度有所差 异，但方向是正确的。而GB 1502011和NB/T 470162011对于小尺寸试样不予调整试验温度，则可能导致其所代表构件的韧性被高估，建议在今后修订相关标准时，参考ASME BPVC.VIII.1:2017或 EN13445:2014调整试验温度的方法。3.3 不同尺寸试样的韧脆转变温度FATT5O韧脆转变温度（FATT50）是冲击试样断口上韧性断面与晶状断面 各占50%对应的温度，在工程上被广泛应用。随着试验温度降低，试样 的冲击吸收能量减小，缺口底部指甲状韧性区宽度减小，对应”稳定扩 展的临界裂纹尺寸减小，晶状断面增加且韧性断面减少。因此，韧性 断面或晶状断面的变化，对应了冲击吸收能量的变化，并很容易从冲击 试验的力-位移曲线来识别。由图2可知，不同试样的韧脆转变温度曲线基本平行排列，随着 试样尺寸的减小，韧脆转变温度曲线向低温方向移动。这是因为小尺寸 试样缺口底部应力状态更软（更倾向于平面应力状态），试样缺口前 沿三向拉应力状态改善，从而促进韧性断裂，推迟了脆性转变，导致韧 脆转变温度曲线向低温方向移动。如图2中2.5mm试样在-2CTC时仍处 于上平台区，而标准试样此时已进入转变区。由此可见，小尺寸试样的 FATT50更低，不同尺寸试样的FATT50不能直接比较。3.4 试样尺寸改变导致的摆锤打击中心微小变化摆锤是冲击试验机的关键部件，其特征参数如能量、摆长、质心 和打击中心决定了使用性能。文献阐述了四者的相互关系，并认为打 击中心的变化可能导致锤杆变形或者转轴处产生较大附加压力而发生能 量损失。试样尺寸导致的打击中心微小变化仅指与标准试样相比。试样 厚度的改变导致打击中心在摆锤刃口上轴向延长，没有发生打击中心偏 离试样缺口轴线的情况。GB/T 2292007认为对于低能量冲击试验，使用垫片调整到与标准试样同样的打击中心非常重要；而对于高能量冲 击试验，垫片不是十分重要。由表2可知，无论是否加装垫片试验结果均较稳定，与GB/T 229-2007所述不够吻合。从工程应用角度看，根据上述试验结果，可认为 试样尺寸改变导致的摆锤打击中心微小变化对于试验结果基本没有影 响，加装或不加装垫片没有区别。4结论与建议(1)不同尺寸试样的冲击吸收能量一般不可换算，且与试样截面 积没有对应关系。当试验温度较低时，小尺寸试样的冲击吸收能量可能 远高于标准试样的，这可能导致材料韧性被高估；当试验温度较高时，小试样与标准试样之间冲击吸收能量的比值也可能明显低于两者截面积 之比。(2)不同尺寸试样获得的韧脆转变温度FATT50数据不可直接比较，随着试样尺寸减小，韧脆转变曲线向低温方向移动。(3)试样尺寸的变化可导致摆锤打击中心的微小改变，但未发现 其对试验结果产生影响。(4)当前相关标准给出的不同尺寸试样按截面积换算冲击吸收能 量的方法，只针对规定值，是给定材料经专门研究后建立的限定关系。该方法不宜理解为不同尺寸试样试验结果之间的必然联系。(5)ASME和EN标准体系对于小尺寸试样调整试验温度是合理的,建议国内修订相关标准时参考该处置方式。