國內外標準對夏比V型沖擊試樣的加工要求及其質量控制

歷 妍,盧美嬌

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部,湛江524072)

金屬材料夏比擺錘沖擊吸收能量表征在沖擊載荷作用下材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，可以用來評價材料對最大能量一次沖擊載荷破壞的缺口敏感性，檢驗和控制材料的冶金及熱加工質量[1]。沖擊性能是金屬材料力學性能的一個重要指標，夏比V型缺口試樣是測試材料沖擊性能時較常用的試樣形式之一[2-5]。

夏比V型沖擊試樣的制備工藝復雜、工序多、效率低，加工質量難以控制，如何制備夏比V型沖擊試樣成了力學性能測試工作中的一個難點[6-8]。試樣加工要求遵守相應的標準，作為國內鋼鐵企業的質量檢驗試驗室，為滿足不同客戶的需求，試樣需要按照不同的沖擊試驗標準進行加工和測試，較為常用的標準有GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、ISO 148-1：2016MetallicMaterials-CharpyPendulumImpactTest—Part1:TestMethod、ASTM E23：2018StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMetallicMaterials、JIS Z 2242：2018MethodforCharpyPendulumImpactTestofMetallicMaterials。不同標準對試樣的加工精度及要求不同，因此按不同標準制備的試樣會存在一定的差異，進而導致測試結果存在差別。為此，筆者對國內外標準中夏比V型沖擊試樣的加工要求和加工過程中存在的一些問題進行了對比分析，并對夏比V型沖擊試樣的批量加工工藝和加工質量控制方法提出了建議。

1 標準中對試樣的要求

1.1 術語和定義

圖1 夏比V型沖擊試樣幾何參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometric parameters of Charpy V-notch impact specimen: a) front view; b) side view; c) enlarged view of gab

夏比沖擊試樣的幾何參數對沖擊試驗結果有一定的影響，國內外相關測試標準均對其做出了明確的規定。標準中試樣的幾何參數如圖1所示，圖中L為試樣長度；W為試樣開缺口面與其相對面之間的距離；B為與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸；A，C表示試樣的兩個基準面，其中A指橫向基準面，B指縱向基準面。為方便討論，將GB/T 229—2007(下稱國標)、ISO 148-1：2016(下稱ISO標準)、ASTM E23：2018(下稱ASTM標準)、JIS Z 2242：2018(下稱JIS標準)中關于夏比V型缺口沖擊試樣幾何參數的要求列表進行比較，如表1所示。

表1 標準中試樣的幾何參數Tab.1 The geometric parameters of specimen in standards

由表1中各標準的幾何參數名稱對比可知，4個標準都將試樣長度稱為“長度L”，其他幾何參數主要有兩點差異。國標中將試樣開缺口面與其相對面之間的距離稱為“高度h”，而ISO標準、ASTM標準和JIS標準中均稱為“寬度W”；國標中將與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸稱為“寬度w”，而ISO標準、ASTM標準和JIS標準中均稱為“厚度B”，這個尺寸取自試樣的軋制厚度，在試驗室加工中為了便于操作人員的理解，常采用“厚度”來表示該參數，而國標中稱“寬度”，容易混淆。各標準對其他幾何參數如缺口角度和缺口底部高度等的命名方式相同。

1.2 尺寸及允許偏差

不同標準對試樣的加工精度及要求不同，因此對各尺寸精度的要求進行比較，結果如表2所示。

從表2可以看出，國標、ISO標準和JIS標準對幾何參數的尺寸公差要求基本一致，而ASTM標準對與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸、缺口角度、缺口底部高度、試樣縱向面間夾角等尺寸公差限定更為嚴格，而對試樣長度和缺口到端面的距離等尺寸公差要求相對寬松。

1.3 表面粗糙度

對于試樣加工面的表面粗糙度，國標、ISO標準和JIS標準的要求基本一致，而ASTM標準的要求較嚴格，缺口面和錘擊面的表面粗糙度不大于2 μm，厚度上下表面的粗糙度不大于4 μm，如表2所示。

表2 標準中試樣的加工精度Tab.2 The processing accuracy of specimen in standards

1.4 試樣標記

試樣標記應遠離缺口，不應標在與支座、砧座或擺錘刀刃接觸的面上。ASTM標準中的規定更為具體,標記只能放在以下位置：試樣的兩端面；試樣在砧座上就位時，試樣面向上的一側；開缺口面的對面。同時，各個標準都規定試樣任一側上的標記都不應在缺口中心線10 mm的范圍內；試樣標記應避免塑性變形和表面不連續性對沖擊吸收能量試驗結果的影響。

2 加工質量控制

2.1 加工方法

沖擊試樣的加工方法可分為兩種：一種是立銑-平面磨床-臥銑加工法，另一種是組合式加工中心加工法。

立銑-平面磨床-臥銑是傳統的沖擊試樣加工方法，試樣通過鋸切(火焰切割或剪切)、銑削、磨削、開缺口等加工工序，最終達到尺寸和加工精度的要求，目前這種方法在企業中應用較廣泛。

組合式加工中心加工法是將傳統方法中獨立加工的各道工序集中起來，用一臺集成的數控設備去完成沖擊試樣的加工，這樣既可以節省設備的占地面積又可以提高工作效率。該類設備主要用于中厚板沖擊試樣的加工，能夠自動地完成試樣加工的各個工序，包括試樣的標記和開缺口，實現了加工過程的標準化、規范化，且沖擊試樣的一致性較好，尤其在加工量較大時，其優勢更為明顯。

2.2 試樣標記

ASTM標準中規定試樣標記可采用噴墨、激光、記號筆書寫等方式。無論采用何種標記方式，都不應標記在與支座、砧座或擺錘刀刃接觸的面上。為了保證操作人員在試樣保溫和進行沖擊試驗的過程中都可以清晰辨識試樣的標記，常標記在試樣在砧座上就位時，試樣面向上的一側，如圖2所示。

圖2 試樣標記方式Fig.2 Specimen marking methods:a) laser marking; b) marker marking

采用組合式加工中心加工法進行加工時，可將試樣標記作為一個自動化加工工序，采用激光法標記在試樣的指定位置，如圖2a)所示。由于試樣在加工過程中的信息都被控制系統記錄，故省略了傳統加工工藝中每一道工序完成后的標記轉移和補充工作，不僅提高了效率，也避免了人工標記時可能寫錯編號或標記不清晰的風險，圖2b)為人工記號筆標記。

國標、ISO標準和JIS標準均要求試樣標記應遠離缺口，而ASTM標準明確規定：標記的位置不應在缺口中心線10 mm的范圍內。從而避免沖擊斷裂造成標記位置存在明顯變形而無法追溯的情況，錯誤的標記位置如圖3所示。

圖3 錯誤的試樣標記位置Fig.3 Wrong specimen marking position

2.3 試樣加工質量驗收

鋼鐵產品通常有不同國家、不同行業的客戶，而試驗室需要滿足不同客戶的標準需求，因此對于試樣加工的精度允許偏差往往更加嚴格，各項指標均需按照最嚴格的標準執行，如表2所示。研究表明：缺口底部高度和缺口角度對試樣缺口敏感性的影響最大；試樣開缺口面與其相對面之間的距離及與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸的影響次之，試樣長度的影響最小[9-10]。試樣開缺口面與其相對面之間的距離、與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸、缺口角度的加工精度和表面粗糙度按照ASTM標準的要求執行。對試樣長度和缺口對稱面到端部距離應嚴格控制，應根據沖擊試驗機的對中裝置做出適合的規定，國標規定如采用自動定位裝置保證試驗機的沖擊對中性，試樣缺口對稱面到端部的距離可以用±0.165 mm代替±0.42 mm。

相比傳統加工方式只能采用按批抽檢的方法對成品試樣的質量進行檢查，組合式加工中心加工法可以在程序設置中增加對試樣尺寸精度和缺口精度的在線自動檢測，這對試驗室沖擊試樣加工質量的管控十分有利。這種便利尤其體現在對缺口的檢測中，V型缺口的截面積不足1.7 mm2，因此對尺寸和形狀要求比較嚴格，這些要素對獲得正確的試驗結果十分重要。而缺口的截面和尺寸偏差都很小，一般使用投影儀進行檢查。將缺口形貌放大50倍，測試缺口根部半徑、缺口深度和角度三要素的尺寸和偏差。這項工作目前仍依靠人工進行測試，費時費力，如果采用帶有在線精度自動檢測的組合式加工中心加工法，則可利用機械手和自動投影裝置的配合作業輕松完成，實現對每件成品試樣的精度檢測，可以大幅度提高工作效率。與此同時，對試樣加工精度的在線檢測結果可及時反饋給加工系統，為加工刀具的狀態監測和刀具補償提供依據，通過及時調整設備參數，可以避免試樣的批量加工不合格。

3 結論及建議

國內外沖擊試驗相關標準對于沖擊試樣的加工要求存在較大的差異。ISO標準、JIS標準和ASTM標準對沖擊試樣幾何尺寸的名稱、符號定義更為準確，在樣坯切取和試樣加工中不容易混淆。國標、ISO標準和JIS標準對試樣機加工偏差的要求基本一致；ASTM標準則對缺口角度、缺口底部高度、試樣縱向面間夾角及與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸等尺寸要素的公差限定更為嚴格，而對試樣長度和缺口到端面的距離等尺寸公差要求相對寬松。對于試樣加工面的表面粗糙度，ASTM標準的要求較其他標準嚴格。在試樣標記方面，ASTM標準的要求較其他標準更為具體和更具可操作性。

組合式加工中心加工法實現了加工過程的標準化、規范化，加工成品的一致性較好，在大批量沖擊試樣加工中，其加工效率高，設備占地面積小，并能很好地實現自動試樣標記、加工精度的在線檢測和管理，有利于試樣加工質量的控制，是試驗室沖擊試樣加工設備的發展趨勢。

建議試驗室在實際加工過程中，要注意滿足不同標準的要求。為避免因加工不同精度的試樣而頻繁調整工藝參數，試驗室應制定一套統一的加工工藝，且各項指標均應按照最嚴格的標準執行。

4 對GB/T 229—2007的修訂建議

在GB/T 229—2007標準中，對試樣寬度和厚度的定義與其他標準不同，在樣坯切取和試樣加工中容易混淆。建議國標中對術語和定義做如下修訂：

(1) 寬度W：帶有缺口的面和與之相對的面之間的距離。

(2) 厚度B：與缺口平行且垂直于寬度方向的尺寸。