沖擊試樣缺口加工對性能的影響

田廣明

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806）

1 前言

金屬材料的沖擊力學性能指標是通過對試樣進行試驗獲得的。沖擊試樣的加工，包括缺口的尺寸和精度都非常重要，會直接影響力學性能試驗的結果。一般來說，如果嚴格按照測試方法標準的要求來生產樣品并通過了嚴格的檢驗，那么試樣加工對力學性能的影響就可以降到最低水平。因此在進行力學性能試驗以前，必須嚴格檢查試樣的狀態是否符合標準要求。鋼材的低倍缺陷越靠近中心缺陷越多，如一般疏松、偏析等。一般鋼材越靠近外表面低倍組織越好。為了考核鋼材較差的部位能達到力學性能沖擊韌性的指標，從缺口加工質量和加工位置兩大方面進行了沖擊試驗，試驗結果較為可靠。

2 沖擊試樣缺口加工對性能的影響

2.1 缺口加工尺寸的影響

采用Q355B 和SPA-H 各一塊鋼板試料，相同工藝設備加工的V型缺口沖擊試樣，規格10 mm×10 mm×55 mm。按照缺口深度、缺口根部曲率半徑、缺口角度的不同，依次分別挑選出20 個樣品，要求加工精度保持一致，在相同溫度（室溫）下進行沖擊試驗。試驗方法按照GB/T 229—2020 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法。

（1）缺口深度對沖擊功的影響：測量10 組Q355B 樣品缺口深度為1.790、1.992、1.980、2.022、1.956、1.948、1.935、1.896、1.856、1.843 mm，對應的沖擊功數值為124、101、99、98、109、109、111、115、116、114 J。測量10 組SPA-H 樣品缺口深度為1.852、2.026、1.978、2.012、1.926、1.941、1.848、1.886、1.872、1.805 mm，對應的沖擊功數值為62、48、51、47、53、53、60、56、57、69 J。

（2）缺口根部曲率半徑對沖擊功的影響：測量10 組Q355B 樣品缺口根部曲率半徑為0.234、0.263、0.251、0.239、0.241、0.246、0.248、0.261、0.254、0.258 mm，對應的沖擊功數值為97、126、113、101、104、108、111、119、115、116 J。測量10 組SPA-H 樣品缺口根部曲率半徑為0.252、0.261、0.246、0.238、0.249、0.258、0.254、0.234、0.242、0.264 mm，對應的沖擊功數值為63、68、58、52、58、66、65、49、56、71 J。

（3）缺口角度對沖擊功的影響：測量10 組Q355B 樣品缺口角度為43°52′、46°58′、45°56′、46°32′、46°18′、45°38′、45°16′、43°12′、44°11′、44°51′，對應的沖擊功數值為108、126、118、124、122、115、115、102、112、114 J。測量10 組SPA-H 樣品缺口角度為44°38′、45°53′、47°11′、45°11′、46°48′、45°21′、46°22′、43°09′、44°13′、43°51′，對應的沖擊功數值為45、50、58、49、55、48、52、39、43、41 J。

通過大量的檢測數據分析，得出結論：沖擊試樣缺口深度增加，沖擊吸收功相應減小；相反，沖擊試樣缺口根部曲率半徑增加、缺口角度增加，沖擊吸收功相應也增加。

2.2 加工精度對沖擊功的影響

準備Q355B 和SPA-H 各一塊鋼板試料，采用相同工藝設備加工的V 型缺口沖擊試樣，規格10 mm×10 mm×55 mm，使用粗糙度儀檢測挑選出1.6、3.2、6.3 μm 各3 組。牌號Q355B 沖擊功數值分別為124、120、122、118、120、122、116、118、114 J；牌號SPA-H 沖擊功數值分別為62、60、63、57、59、60、60、55、57 J。

由試驗結果可見，隨著缺口底部表面粗糙度增加，沖擊功數值相應減少。標準GB/T 229—2020對V型缺口的加工精度提出了要求，仔細制備試樣缺口，以保證缺口根部半徑沒有影響吸收能量的加工痕跡。從試驗結果可以看出，缺口底部表面粗糙度由1.6 μm 增加到6.3 μm 時，沖擊功均值差異分別為7.6 J 和6.3 J。本試驗僅進行了3 種不同粗糙度的對比，但可以認為，隨著粗糙度的增加，沖擊功的差異將更大。這是由于缺口底部愈粗糙，劃痕愈深，就容易在較低的沖擊載荷下形成裂紋，從而使沖擊功降低。

2.3 缺口方向對沖擊功的影響

準備一塊鋼種S355JOB型鋼試料，見圖1，采用相同工藝設備加工的V 型缺口沖擊試樣，規格10 mm×10 mm×55 mm。缺口位置位于厚度方向朝向翼緣邊部和朝向翼緣內部作對比。缺口位置位于厚度方向和位于軋制表面作對比。

圖1 型鋼取樣示意圖

（1）缺口位置位于厚度方向朝向翼緣邊部：距離邊部35 mm 位置的沖擊功數值為46、52、53 J；距離邊部50 mm 位置的沖擊功數值為35、48、44 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數值為53、42、41 J。

（2）缺口位置位于厚度方向朝向翼緣內部：距離邊部35 mm 位置的沖擊功數值為60、61、73 J；距離邊部50 mm 位置的沖擊功數值為70、81、75 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數值為57、47、45 J。

（3）缺口位置位于厚度方向：距離邊部35 mm位置的沖擊功數值為60、59、61 J；距離邊部50 mm位置的沖擊功數值為65、59、52 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數值為46、40、52 J。

（4）缺口位置位于軋制表面方向：距離邊部35 mm 位置的沖擊功數值為25、35、22 J；距離邊部50 mm 位置的沖擊功數值為27、46、52 J；距離邊部80 mm位置的沖擊功數值為10、21、22 J。

通過對上面的試驗結果進行統計分析發現，缺口位置位于厚度方向朝向翼緣邊部與朝向翼緣內部沖擊功均值相差17.2 J，缺口位于厚度方向與位于軋制表面方向沖擊功均值相差26 J，沖擊試樣缺口方向對試驗結果有明顯的影響。按照標準GB/T 2975—2018 鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備規定，沖擊試樣缺口位置開在鋼板厚度方向，在工廠實際加工試驗過程中，只保證缺口開槽位置在厚度方向上，但未具體區分缺口朝向位置。為了保證試驗數據的精準性和可追溯性，沖擊試樣加工過程中，必須區分缺口位置的開槽方向。

3 結語

缺口根部半徑的變化實質改變了缺口的尖銳程度，使缺口前沿的應力狀態發生變化。隨著試樣缺口角度的增加，缺口前沿產生的塑性變形體積增加，因而缺口根部半徑增大，沖擊吸收能量增大，反之則減小。缺口底部表面粗糙度應優于5 μm，隨著缺口底部表面粗糙度的增加，劃痕越深，越易導致應力集中，沖擊功減小。缺口深度越大，則抵抗沖擊斷裂的體積越小，吸收能量也越小，反之則越大。試樣加工過程中，需要標記缺口開槽方向，確保沖擊試驗數據的準確性和可追溯性。