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夏比擺錘沖擊試驗(yàn)中所用的沖擊試驗(yàn)機(jī)在工作過程中會(huì)頻繁受到來自試樣的反作用力，機(jī)身框架會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。和拉伸試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)等靜態(tài)試驗(yàn)設(shè)備相比，沖擊試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件在較短時(shí)間內(nèi)容易出現(xiàn)磨損、松動(dòng)、變形等問題，這些都會(huì)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)可能會(huì)在下一個(gè)校準(zhǔn)周期到來前就提前失準(zhǔn)，因此有必要加強(qiáng)對(duì)沖擊試驗(yàn)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)其進(jìn)行有效的日常檢驗(yàn)和期間核查。

本文介紹了用于定性判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)失準(zhǔn)類型的觀察擠壓痕法，該方法容易掌握，操作簡(jiǎn)便且實(shí)用性強(qiáng)。

操作原理

擠壓痕是沖擊試樣在通過試驗(yàn)機(jī)砧座時(shí)其側(cè)面受砧座擠壓變形而留下的痕跡。擠壓痕能反映試驗(yàn)過程中試樣與砧座的相對(duì)位置關(guān)系。不同能量級(jí)別的試樣，在試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)不同的失準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，其擠壓痕會(huì)呈現(xiàn)不同的外觀形貌。通過觀察試樣上擠壓痕的寬窄、深淺、形狀和位置，可以快速直觀地判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)存在的問題。

通常檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室不具備內(nèi)部校準(zhǔn)的能力，和需要借助尺寸測(cè)量工具對(duì)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的直接檢驗(yàn)法以及利用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行的間接檢驗(yàn)法相比，觀察試樣擠壓痕的方法不需要具備專業(yè)檢定校準(zhǔn)知識(shí)或資質(zhì)的人員，也不需要借助任何外界輔助裝置或額外試樣，僅需具備一定經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)操作人員觀察測(cè)試后留存的試樣即可完成對(duì)潛在問題的排查，相對(duì)容易掌握，操作也可隨時(shí)隨地進(jìn)行，因此該方法適合作為沖擊試驗(yàn)機(jī)的日常檢查方法。

砧座過度磨損

沖擊試驗(yàn)機(jī)的主要磨損通常發(fā)生在砧座。沖擊試驗(yàn)機(jī)使用一段時(shí)間后，為檢查砧座的磨損程度是否在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，必須將其從沖擊試驗(yàn)機(jī)上拆下，經(jīng)尺寸檢驗(yàn)合格后，方可重新安裝使用。該檢驗(yàn)方法雖然可靠，但整套流程較繁瑣，砧座的拆卸安裝較困難，且并不是所有試驗(yàn)人員都具備獨(dú)立測(cè)量砧座外形尺寸的能力，因此該方法不適合用于實(shí)驗(yàn)室的日常檢查。針對(duì)上述情況，可以通過檢查試樣(特別是高能量試樣)折斷時(shí)側(cè)面留下的擠壓痕來快速評(píng)估砧座的磨損情況。

圖1 正常砧座和過度磨損的砧座形成的擠壓痕示意圖

由圖1可見，當(dāng)砧座符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸公差要求時(shí)，會(huì)在兩截折斷的試樣上分別形成一個(gè)窄而深的痕跡；當(dāng)砧座過度磨損時(shí)，會(huì)在兩截試樣上各留下一個(gè)寬而淺的痕跡。對(duì)于高能量試樣，這種痕跡的變化更明顯且易于觀察。磨損的砧座必須更換，這是因?yàn)楹臀茨p的砧座相比，砧座磨損意味著試驗(yàn)跨距變大，試樣通過磨損的砧座時(shí)所需的能量比通過未磨損的砧座時(shí)所需的能量要小，試驗(yàn)結(jié)果會(huì)低于正常值。對(duì)于高能量試樣，這種能量偏低的現(xiàn)象會(huì)更顯著。

可以選用成分、力學(xué)性能和硬度都相同的同批次材料預(yù)制一批高能量試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)檢定合格后用新的符合尺寸公差要求的砧座測(cè)試其中的若干件并保留，作為日后觀察擠壓痕寬窄和深淺的“標(biāo)準(zhǔn)試樣”。在沖擊試驗(yàn)機(jī)使用一段時(shí)間后，再用此砧座測(cè)試剩下的預(yù)制試樣中的若干件，將這些試樣與前期保留的“標(biāo)準(zhǔn)試樣”進(jìn)行比較，由兩者擠壓痕的差異來評(píng)估現(xiàn)有砧座的磨損情況。對(duì)于吸收能量相近的試樣，擠壓痕會(huì)隨著砧座磨損程度的加深而變得更寬、更光滑。實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)沖擊試驗(yàn)機(jī)的使用頻率制定相應(yīng)的比對(duì)周期。

砧座不均勻磨損

圖2是頻繁檢測(cè)小尺寸試樣導(dǎo)致砧座的豎直方向磨損不均勻而形成的擠壓痕示意圖。隨著試樣能量的增加，擠壓痕在砧座磨損嚴(yán)重一側(cè)的寬窄變化更明顯且易于觀察。

圖2 不均勻磨損的砧座形成的擠壓痕示意圖

在這種砧座狀態(tài)下有3個(gè)問題需要注意：

(1)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣，這種磨損存在于較小的接觸面積內(nèi)，通常不會(huì)影響試樣斷裂所需要的能量，因此也就無法在沖擊試驗(yàn)機(jī)的間接檢驗(yàn)中，通過測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試樣的能量來評(píng)估磨損情況。

(2)這種磨損可能導(dǎo)致砧座的公差超出標(biāo)準(zhǔn)的要求，也就意味著該沖擊試驗(yàn)機(jī)不符合標(biāo)準(zhǔn)中直接檢驗(yàn)的要求，但也不具備間接檢驗(yàn)的資格，此時(shí)采用觀察試樣擠壓痕的方法就很必要。

(3)當(dāng)小尺寸試樣在砧座磨損嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其測(cè)試結(jié)果要低于正常值，此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換砧座。

砧座表面粗糙度超差

在某些測(cè)試條件下，特別是高溫測(cè)試，會(huì)加速砧座的磨損，增加砧座圓角處的表面粗糙度，從而產(chǎn)生過大的摩擦力，形成如圖3所示的擠壓痕。

圖3 正常砧座和表面粗糙度超差的砧座形成的擠壓痕示意圖

和表面粗糙度正常的砧座相比，表面粗糙度超差的砧座形成的擠壓痕更寬，邊緣粗糙不齊且有一條凸起。這樣的砧座會(huì)增加試樣斷裂所需的能量，測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值(尤其是高能量試樣)，此時(shí)必須更換砧座。

砧座有缺口

砧座上積存的鐵屑會(huì)使其在使用過程中產(chǎn)生崩損的缺口。有缺口的砧座均能通過觀察低、中、高能量試樣的擠壓痕來發(fā)現(xiàn)，如圖4所示，隨著試樣能量的增加，在鉆座缺口處的不規(guī)則擠壓痕會(huì)變得更寬更深，更易于觀察。

圖4 有缺口的砧座形成的擠壓痕示意圖

砧座的缺口會(huì)對(duì)試樣吸收能量產(chǎn)生影響。由于砧座表面不光滑，缺口會(huì)增大試樣通過砧座時(shí)的摩擦，從而增加試樣斷裂所需的能量，得到的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值。低能量試樣受到缺口的影響較小，因?yàn)槠溆捕茸罡?，斷裂形式為脆性斷裂，試樣與砧座的摩擦較??；缺口對(duì)于韌性較好的中、高能量試樣影響較大。應(yīng)及時(shí)更換有缺口的砧座。

擺桿彎曲

沖擊試驗(yàn)機(jī)在使用過程中其擺桿會(huì)受到來自試樣的反作用力，長(zhǎng)期受力會(huì)使擺桿產(chǎn)生微小彎曲。正常擺桿和彎曲的擺桿與試樣接觸時(shí)的位置示意如圖5所示。

圖5 正常擺桿和彎曲的擺桿與試樣接觸時(shí)的位置示意圖

彎曲的擺桿會(huì)先接觸到試樣朝上放置的一側(cè)，這導(dǎo)致試樣過度扭曲，試樣朝上放置的一側(cè)擠壓痕會(huì)更深，見圖6。

圖6 彎曲的擺桿形成的擠壓痕示意圖

這種扭曲還會(huì)導(dǎo)致試樣在斷裂后與擺桿發(fā)生相互碰撞，并造成額外的能量損失，因此測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值。應(yīng)及時(shí)更換彎曲的擺桿。

試樣不對(duì)中

試樣不對(duì)中是指試樣缺口的對(duì)稱面不處于兩砧座跨距的正中間，此時(shí)沖擊刃的打擊點(diǎn)會(huì)偏向試樣缺口對(duì)稱面的一側(cè)。試樣不對(duì)中的問題可通過觀察低能量試樣的擠壓痕來發(fā)現(xiàn)。當(dāng)試樣對(duì)中時(shí)，試樣缺口邊緣至兩截折斷試樣側(cè)面擠壓痕的距離相等；如果發(fā)現(xiàn)距離不相等，那么可以判斷為試樣在擺放過程中出現(xiàn)了不對(duì)中。

圖7 對(duì)中試樣和不對(duì)中試樣的擠壓痕示意圖

由圖7可見，當(dāng)試樣對(duì)中時(shí)，低能量試樣的斷口平整，兩截試樣均勻等長(zhǎng)；當(dāng)試樣不對(duì)中時(shí)，由于沖擊刃的打擊位置并不位于缺口根部的正后方，這導(dǎo)致試樣受沖擊后裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生偏移，測(cè)試后的試樣斷口存在一個(gè)斜角，沖擊刃偏向一側(cè)的一截試樣要比另一側(cè)的一截試樣短。沖擊位置越偏離缺口對(duì)稱面，斷口的斜角越大，兩截試樣的長(zhǎng)短差異也越大。試樣不對(duì)中會(huì)增加試樣斷裂所需的能量，測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值。

實(shí)際上，試樣不對(duì)中不完全屬于沖擊試驗(yàn)機(jī)自身失準(zhǔn)的情況。對(duì)于配備了自動(dòng)送樣裝置的試驗(yàn)機(jī)，可能是由于試樣自動(dòng)定位裝置出現(xiàn)磨損或偏離對(duì)中；對(duì)于采用人工送樣方式的試驗(yàn)機(jī)，其最常見的原因是使用了磨損的試樣對(duì)中夾鉗或是試驗(yàn)人員操作過程不仔細(xì)造成的。此外，使用在試驗(yàn)溫度下過于粘稠的冷卻介質(zhì)使試樣在支座上漂浮滑動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致試樣不對(duì)中，這種情況在使用自動(dòng)送樣裝置和人工對(duì)中夾鉗時(shí)都有可能出現(xiàn)。建議將體積分?jǐn)?shù)為95％的工業(yè)乙醇作為低溫沖擊試驗(yàn)的冷卻介質(zhì)，因其具有較低的凝固點(diǎn)(-114℃)和較強(qiáng)的揮發(fā)性，能從試樣底部迅速揮發(fā)，有效防止試樣滑動(dòng)。

沖擊刃不對(duì)中

沖擊刃不對(duì)中與試樣不對(duì)中的情況不同，因?yàn)槿笨趯?duì)稱面處于兩砧座跨距的正中間，因此試樣缺口邊緣至兩截折斷試樣側(cè)面擠壓痕的距離相等。但是沖擊刃的打擊位置不是位于缺口根部的正后方，這導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生偏移，試樣斷口出現(xiàn)斜角，兩截折斷的試樣呈現(xiàn)長(zhǎng)短差異。

圖8 沖擊刃不對(duì)中時(shí)試樣的擠壓痕示意圖

圖8是沖擊刃不對(duì)中時(shí)斷裂試樣的擠壓痕示意圖。不對(duì)中的沖擊刃通常是擺錘軸偏離了中心位置所引起，而這種偏離推測(cè)是沖擊試驗(yàn)機(jī)在長(zhǎng)期使用的過程中，試驗(yàn)機(jī)框架和擺桿的機(jī)械振動(dòng)造成了擺錘軸上的對(duì)中環(huán)或軸承塊出現(xiàn)松動(dòng)所導(dǎo)致。沖擊刃不對(duì)中也會(huì)增加試樣斷裂所需的能量，測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值。

觀察試樣擠壓痕來判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)失準(zhǔn)類型的方法簡(jiǎn)便實(shí)用，通過觀察沖斷試樣的擠壓痕能夠快速判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)可能存在的問題，為試驗(yàn)機(jī)失準(zhǔn)類型的判斷、試驗(yàn)機(jī)的調(diào)整和后續(xù)的再校準(zhǔn)提供依據(jù)。該方法容易掌握、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)，可用于沖擊試驗(yàn)機(jī)的日常檢查，并作為實(shí)驗(yàn)室的日常質(zhì)量控制手段之一加以推廣應(yīng)用。