沖擊試樣頂針孔及其深度對沖擊吸收能量的影響

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 檢測中心物理站, 馬鞍山 243000)

特鋼產品中規格為φ(16～30) mm的42CrMo鋼、55Cr3鋼、20CrMnTiH3鋼、40Cr鋼等熱軋圓棒產品尺寸較小，將其加工成尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的沖擊試樣較困難。棒材沖擊試樣的加工工藝[1]為：鋸切樣坯→刨床初加工→銑削→開缺口。該工藝加工效率較低，加工小尺寸特鋼產品時，在鋸切樣坯和刨床初加工時存在一定難度。為此，筆者采用某生產廠家針對上述問題設計的新型棒材拉伸-沖擊標準試樣加工中心，去除原工藝中鋸切樣坯和刨床初加工的步驟，實現了沖擊試樣的一步加工成型，節省了大量的工序，提高了加工效率。此外，采用新型棒材拉伸-沖擊標準試樣加工中心時，為保持沖擊試樣的對中性和固定性，需要在試樣的一端鉆頂針孔[2]，筆者研究了頂針孔及其深度對沖擊試樣沖擊吸收能量的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

采用傳統工藝用GB4240型鋸床在42CrMo鋼和Q235H鋼樣坯上分別鋸切出尺寸為55 mm×15 mm×15 mm的6組(每組3個)樣塊，使用BS6065型刨床對樣塊進行初加工成形，使用HGCJ-100BJ型沖擊加工中心銑削開V型缺口，缺口底部高度為8 mm，分別得到6組尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的沖擊試樣[3]。其中：將42CrMo鋼沖擊試樣分別編號為A1，A2，A3，A4，A5，A6；將Q235H鋼沖擊試樣分別編號為B1，B2，B3，B4，B5，B6。

采用HGCJ-20型棒材拉伸-沖擊試樣加工中心(以下簡稱為新型加工中心)在42CrMo鋼和Q235H鋼樣坯上分別一步加工出6，18組(每組3個)沖擊試樣，試樣的規格尺寸與采用傳統工藝流程得到試樣的相同。各取6組42CrMo鋼和Q235H鋼沖擊試樣，采用Z525型立式鉆床在試樣一端鉆孔深為5 mm，孔徑為3 mm的頂針孔，分別編號為C1,C2,C3,C4,C5,C6和D1,D2,D3,D4,D5,D6；另取12組Q235H鋼沖擊試樣，按每3組為1份共分成4份，其中1份不鉆頂針孔，該份3組試樣分別編號為E1，E2，E3,其他3份分別采用Z525型立式鉆床在試樣一端鉆孔深為8，9，10 mm，孔徑為3 mm的頂針孔。其中，孔深為8 mm的3組試樣分別編號為F1，F2，F3；孔深為9 mm的3組試樣分別編號為G1，G2，G3；孔深為10 mm的3組試樣分別編號為H1，H2，H3。

取鋼研納克沖擊標準試樣[4]6組(每組3個)，第1組標準試樣不鉆孔，采用Z525型立式鉆床對第2～4組沖擊標準試樣鉆孔深為5 mm，孔徑為3 mm的頂針孔，對第5組沖擊標準試樣分別鉆孔深為8.5，8.1，9.4 mm，孔徑為3 mm的頂針孔，對第6組沖擊標準試樣分別鉆孔深為9.5，10.3，10.4 mm，孔徑為3 mm的頂針孔。

1.2 試驗方法

按照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用ZBC1501-BZ/2沖擊試驗機對沖擊吸收能量為20.7，27.9 J的沖擊標準試樣進行室溫沖擊試驗[5]，該沖擊試驗機的最大沖擊吸收能量為50 J，載荷為68 N。采用ZBC2452-2型沖擊試驗機對除上述試樣之外的沖擊試樣進行室溫沖擊試驗，該沖擊試驗機的最大沖擊吸收能量為300 J，載荷為215 N。

2 試驗結果與討論

2.1 沖擊標準試樣的比對

表1為沖擊標準試樣的沖擊吸收能量分析結果，可見6組試樣的實測值與標準值的偏差(簡稱為標準偏差)均符合ISO 148-3(2016)MetallicMaterials—CharpyPendulumImpactTest—Part3:PreparationandCharacterizationofCharpyV-notchTestPiecesforIndirectVerificationofPendulumImpactMachines和JJG 145—2007《擺錘式沖擊試驗機》中對標準偏差的要求(見表2)。此外，第1，2組沖擊標準試樣無論是否有頂針孔，其沖擊吸收能量實測值和標準值的大小均不受影響；第3，4組沖擊標準試樣沖擊吸收能量的實測值與標準值較接近；第5，6組沖擊標準試樣頂針孔深度達到9 mm后，試樣沖擊吸收能量的實測值出現顯著下降，比標準值更低。綜上所述，當頂針孔深度為5 mm時，沖擊標準試樣的沖擊吸收能量實測值不受影響；當頂針孔深度不小于9 mm時，沖擊標準試樣的沖擊吸收能量實測值會偏低。

2.2 沖擊加工試樣的比對

表3，4分別是采用傳統工藝和新型加工中心加工的頂針孔深度為5 mm的42CrMo鋼和Q235H鋼沖擊試樣的沖擊試驗結果。由表3和表4可見，對于42CrMo鋼和Q235H鋼，采用新型加工中心加工的頂針孔深度為5 mm的沖擊試樣的沖擊吸收能量實測平均值和采用傳統工藝加工的沖擊試樣的一致，且測試結果較穩定。

表5是采用新型加工中心加工的不同頂針孔深度的Q235H鋼沖擊試樣的沖擊試驗結果，結合表4可見，當沖擊試樣一端無頂針孔或頂針孔深度不大于8 mm時，沖擊試樣的沖擊吸收能量實測平均值較穩定，在正常范圍(110～120 J)波動；當頂針孔深度達到9 mm并高于該數值時，試樣沖擊吸收能量會普遍低于正常范圍。

表1 不同沖擊標準試樣沖擊吸收能量的分析結果Tab.1 Analysis results of impact absorption energy of different impact standard specimens J

表2 不同標準中標準沖擊試樣沖擊吸收能量的標準偏差范圍Tab.2 Standard deviation range of impact absorption energy of standard impact specimen in different standards J

表3 采用傳統工藝加工的42CrMo鋼和Q235H鋼沖擊 試樣沖擊試驗結果Tab.3 Impact test results of 42CrMo and Q235H steel impact specimens processed by traditional technology J

3 結論

對于42CrMo鋼和Q235H鋼，采用新型加工中心加工的頂針孔深度為5 mm的沖擊試樣的沖擊吸收能量實測平均值和采用傳統工藝加工的沖擊試樣的一致，且測試結果較穩定。

表4 采用新型加工中心加工的頂針孔深度為5 mm 沖擊試樣的沖擊試驗結果Tab.4 Impact test results of impact specimen with pin hole depth of 5 mm processed by new machining center J

對于沖擊標準試樣和Q235H鋼沖擊加工試樣，當沖擊試樣一端無頂針孔或頂針孔深度不大于8 mm時，沖擊試樣的沖擊吸收能量實測平均值較穩定，在正常范圍(110～120 J)波動；當頂針孔深度達到9 mm并高于該數值時，試樣沖擊吸收能量實測平均值普遍低于正常范圍。

表5 采用新型加工中心加工的不同頂針孔深度的Q235H鋼 沖擊試樣的沖擊試驗結果Tab.5 Impact test results of Q235H steel impact specimens with different pin hole depth processed by new machining center J