夏比沖擊試樣加工流程繁瑣,其性能反映了材料的組織結構、冶金缺陷等特點。夏比沖擊試驗是金屬材料最基礎、最重要的力學性能試驗之一。在實際試樣加工過程中,由于某些薄板的厚度不夠,無法制取尺寸（長度×寬度×高度,下同）為10 mm×10 mm×55 mm的標準夏比沖擊試樣,不得不采用尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm、10 mm×5.0 mm×55 mm、10 mm×2.5 mm×55 mm等小尺寸試樣來進行沖擊試驗。GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、ISO 148-1：2016（E）《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗 第1部分：試驗方法》、JIS Z 2242：2018 《金屬材料的擺式沖擊試驗方法》等標準中提出：對于低能量的沖擊試驗,用墊片使小尺寸試樣位于擺錘中心位置,以避免額外的能量吸收；對于高能量的沖擊試驗,采用墊片的重要性不大。小尺寸試樣的沖擊試驗結果對保證材料質量具有重要意義。在進行小尺寸沖擊試驗時,根據不同厚度試樣,需更換不同墊片,在操作上帶來不便。為分析沖擊墊片對不同厚度試樣沖擊試驗結果的影響規律,筆者分別采用使用墊片和不使用墊片的方式對高、中、低能量級V形缺口標準沖擊試樣進行了一系列研究,結果可為提高小尺寸試樣沖擊試驗結果的準確性提供支持。 

1.   試樣制備與試驗方法

1.1   試樣制備

試驗材料采用厚度為11.75 mm的Q235B低碳鋼板,其屈服強度為305 MPa,抗拉強度為448 MPa,斷后伸長率為27.0%,尺寸為10 mm×10 mm×55 mm試樣的沖擊吸收能量平均值為150 J。該批試樣均取樣于鋼板寬度1/4位置處,按照GB/T 229—2020的要求,制備了尺寸分別為10 mm×7.5 mm×55 mm、10 mm×5 mm×55 mm、10 mm×2.5 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣。 

1.2   試驗方法

試驗設備為實驗室配備的擺錘式沖擊試驗機,擺錘能量為750 J,能量損失為0.18%,擺錘錘刃半徑為2 mm。對3種小尺寸試樣分別增加2.5,5.0,7.5 mm厚度的墊片（見圖1）,在室溫下對3種試樣進行沖擊試驗。 

圖  1  不同厚度的試樣支座墊片

2.   試驗結果與討論

2.1   沖擊墊片對沖擊吸收能量的影響

厚度為7.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測試結果如表1所示,試樣沖擊吸收能量F檢驗和t檢驗的統計結果如表2所示。由表2可知：厚度為7.5 mm小尺寸試樣增加墊片前后的沖擊吸收能量平均值分別為118.9,118.7 J；F檢驗的結果為1.01,當顯著水平為0.05,F分布的兩個自由度均為14時,查表可知分布值F表為2.48,F＜F表,說明兩組數據的精密度無顯著性差異；t檢驗的結果為0.09,當顯著水平為0.05,t分布的自由度為14時,查表可知分布值t表為1.76,t＜t表,說明兩組數據一致,不存在顯著性差異。綜上所述,當厚度為7.5 mm時,增加墊片對試樣沖擊吸收能量的結果沒有影響。 

厚度為5.0 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測試結果如表3所示,試樣沖擊吸收能量F檢驗和t檢驗的統計結果如表4所示。由表4可知：厚度為5.0 mm小尺寸試樣增加墊片前后的沖擊吸收能量平均值分別為70.5,68.9 J；F檢驗的結果為0.89,F表為2.48,F＜F表,說明兩組數據的精密度無顯著性差異；t檢驗的結果為1.75,t表為1.76,t＜t表,說明兩組數據一致,不存在顯著性差異。綜上所述,當厚度為5.0 mm時,增加墊片對試樣沖擊吸收能量的結果沒有影響。 

厚度為2.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測試結果如表5所示,試樣沖擊吸收能量F檢驗和t檢驗的統計結果如表6所示。由表6可知：厚度為2.5 mm小尺寸試樣增加墊片前后的沖擊吸收能量平均值分別為28.9,27.1 J；F檢驗的結果為0.45,F表為2.48,F<F表,說明兩組數據的精密度無顯著性差異；t檢驗的結果為7.24,t表為1.76,t＞t表,說明兩組存在顯著性差異。綜上所述,當厚度為2.5 mm時,增加墊片對試樣沖擊吸收能量的結果有影響。 

該試驗所用的同一厚度試樣均是從同一張鋼板上切取的,材料性能不均勻性的影響基本可以忽略。綜合比較表2,4,6,可見厚度為7.5,5,2.5 mm小尺寸試樣增加墊片前后的相對誤差分別為0.22%,2.31%,6.36%,實驗室對標準試樣沖擊試驗結果的允許誤差為不大于6%,即厚度為7.5,5.0 mm試樣的性能比較穩定,這兩種小尺寸試樣的沖擊吸收能量均未達到低能量沖擊范圍（13~20 J）[1],因而增加墊片對整個試驗結果影響不大[2]。對于厚度為2.5 mm的試樣,增加墊片前后沖擊試驗結果的誤差超過6%。對于低能量的沖擊試驗,用墊片使小尺寸試樣位于擺錘中心位置,可以避免額外的能量吸收。 

2.2   沖擊墊片對斷樣側膨脹值的影響

不同厚度小尺寸試樣增加墊片前后的側膨脹值曲線如圖2所示。由圖2可知：厚度為7.5,5.0 mm試樣的側膨脹值相差很小,厚度為2.5 mm試樣的側膨脹值明顯減小；增加墊片前后,試樣的側膨脹值變化不大。側膨脹產生的原因是材料在沖擊過程中受到平面應力并產生裂紋,裂紋擴展向外擠壓[3],對于7.5,5 mm厚度的小尺寸沖擊試樣,裂紋擴展能量幾乎是相同的,側膨脹值變化不大。對于2.5 mm厚度的小尺寸試樣,沖擊吸收能量為20~30 J,屬于低能量,裂紋擴展能量較小,導致側膨脹值與7.5,5 mm厚度的小尺寸試樣相比減小。是否增加墊片對試樣的側膨脹值影響不大。 

圖  2  不同厚度小尺寸試樣增加墊片前后的側膨脹值曲線

2.3   沖擊斷口的顯微組織

圖3為增加墊片前后沖擊試樣斷口附近的顯微組織形貌。由圖3可知：增加墊片前后沖擊試樣斷口附近都有少量的珠光體和鐵素體,晶粒度為9.0級,晶粒比較細,組織分布均勻,兩者在顯微組織上無明顯差異。 

圖  3  增加墊片前后沖擊試樣斷口附近的顯微組織形貌

2.4   沖擊斷口的宏觀形貌

圖4是不同厚度試樣增加墊片前后的沖擊斷口宏觀形貌,左邊為未增加墊片,右邊為增加墊片。由圖4可知：增加墊片前后沖擊斷口的宏觀形貌基本相同,均為韌性斷裂,斷口為韌窩形貌。 

圖  4  不同厚度試樣增加墊片前后的沖擊斷口宏觀形貌

3.   結論

（1）厚度為7.5,5.0 mm小尺寸試樣在常溫下的沖擊吸收能量達到60 J以上,不屬于低能量的沖擊試樣,因而是否增加墊片對沖擊試驗結果影響不大；厚度為2.5 mm小尺寸試樣屬于低能量沖擊試樣,增加墊片對沖擊試驗結果的影響較大。根據Q235B鋼產品標準對沖擊吸收能量的規定,厚度為10 mm標準試樣的沖擊吸收能量不小于27 J,厚度不大于5 mm小尺寸沖擊試樣的沖擊吸收能量不小于規定值的50%,即不小于13.5 J。厚度為2.5 mm小尺寸試樣在常溫下的沖擊吸收能量達到13.5 J以上,遠大于產品標準的規定,試驗時可以選擇性地增加墊片。 

（2）厚度為7.5,5.0 mm小尺寸試樣的側膨脹值相差很小,厚度為2.5 mm小尺寸試樣的裂紋擴展起始力小,導致其沖擊吸收能量減小,相應的側膨脹值也減小。對于不同厚度的小尺寸試樣,是否增加沖擊墊片對其側膨脹值影響不大。 

（3）是否增加墊片對小尺寸試樣沖擊斷口的顯微組織形貌和宏觀形貌無明顯影響。

文章來源——材料與測試網