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夏比沖擊試驗是一種用于評價金屬材料沖擊韌性的傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗方法，因具有試樣加工簡便，試驗時間短，試驗數(shù)據(jù)對材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷敏感等特點，而被世界各國廣泛采用。不同國家的沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)對試驗機、試樣、試驗程序、試驗結(jié)果的處理與修約等的規(guī)定不盡相同，但均未就砧座磨損對試驗結(jié)果的影響進(jìn)行規(guī)定或說明。

 

為此，筆者分別采用磨損嚴(yán)重的舊砧座和完好的新砧座對超高、高、中能量級的弧形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗，并根據(jù)力-沖擊吸收能量-時間曲線和試樣宏觀形貌就砧座磨損對沖擊試驗結(jié)果的影響進(jìn)行了分析和討論。

 

夏比沖擊試驗工作原理

 

擺錘沖擊試驗機的試驗原理是利用擺錘沖擊試樣前后的能量差來測定該試樣的沖擊消耗能量，每一個運動著的物體都具有能量，沖擊現(xiàn)象實際上是物體之間能量的轉(zhuǎn)換，或者說是能量的傳遞過程，材料的韌性強弱就是用其能接受這種能量的高低來衡量的。材料的韌性可以用材料在沖擊力的作用下，試樣一次沖斷時單位截面積上所消耗的沖擊吸收能量來表示，如圖1所示。

 

圖1 夏比沖擊試驗原理示意圖

 

設(shè)擺錘初始位置的預(yù)揚角為α，擺錘沖擊試樣后其位置的揚角為β，擺錘在初始位置時的能量為EA，在沖擊完成后位置的能量為EB，在空氣阻力消耗的能量和設(shè)備的摩擦因數(shù)忽略不計的情況下，則試樣在沖擊力作用下折斷時所消耗的能量為

 A_K＝E_A-E_B         (1)

 其中

E_A＝mgH＝mgL(1-cosα)         (2)

E_B＝mgL(1-cosβ)         (3)

A_K＝E_A-E_B＝mgL(cosβ-cosα)         (4)

A_K＝M(cosβ-cosα)         (5)

式中：m為擺錘質(zhì)量，kg；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m·s-2；L為擺錘長度，m；M為擺錘力矩，N·m。

 

試驗過程及分析

 

試驗試樣為北京鋼鐵設(shè)計研究總院生產(chǎn)的弧形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，選取了3個能量范圍的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗，國家鋼鐵材料測試中心對這3個能量范圍弧形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣的校準(zhǔn)結(jié)果見表1。試驗機為Zwick RKP450 IWI型全自動示波沖擊試驗機，沖擊刀刃半徑為2mm。

 

表1 試驗用標(biāo)準(zhǔn)試樣的校準(zhǔn)結(jié)果

 

根據(jù)GB/T 3808-2002要求，砧座跨距應(yīng)為40~40.2mm，曲率半徑應(yīng)為1~1.5mm，斜度應(yīng)為10°~12°。為了驗證砧座的曲率半徑對于沖擊吸收能量的影響，試驗分別采用如圖2所示的完好新砧座和已經(jīng)磨損很嚴(yán)重的報廢砧座對弧形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗，并對沖擊吸收能量-時間曲線、力-時間曲線進(jìn)行分析。

圖2 試驗用砧座形貌

 

首先用磨損砧座分別對3檔能量值的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗，通過示波沖擊試驗機采集試驗過程的瞬間力值變化，并由電腦自動記錄、繪制，得到的力-沖擊吸收能量-時間曲線如圖3所示；再利用完好的新砧座對3檔能量值的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗，得到的力-沖擊吸收能量-時間曲線如圖4所示。

 

圖3 磨損砧座測得的力-沖擊吸收能量-時間曲線

 

圖4 新砧座測得的力-沖擊吸收能量-時間曲線

 

由圖3可以看出，使用磨損砧座試驗得到的力-時間曲線在試樣被敲擊后持續(xù)受摩擦力的影響較大，曲線波動較大，力和時間做積分得到摩擦產(chǎn)生的功，這一摩擦功導(dǎo)致最終得到的沖擊吸收能量高于實際值。

 

由圖4可以看出，使用新砧座試驗得到的力-時間曲線在試樣被敲擊后持續(xù)受摩擦力的影響較小，并且在后期力-時間曲線較為平滑，摩擦力做功較圖3中的明顯減小，最終得到的沖擊吸收能量與校準(zhǔn)值基本接近。

 

沖擊試驗后3檔不同能量標(biāo)準(zhǔn)試樣與新鉆座、磨損砧座接觸處留下的痕跡形貌對比如圖5~7所示，3檔不同能量標(biāo)準(zhǔn)試樣使用新砧座和磨損砧座測得的力-沖擊吸收能量-時間曲線對比如圖8~10所示。

 

圖5 超高能量級試樣形貌對比

 

圖6 高能量級試樣形貌對比

圖7 中能量級試樣形貌對比

 

圖8 新、磨損砧座測得的超高能量級試樣的力-沖擊吸收能量-時間曲線對比

 

圖9 新、磨損砧座測得的高能量級試樣的力-沖擊吸收能量-時間曲線對比

 

圖10 新、磨損砧座測得的中能量級試樣的力-沖擊吸收能量-時間曲線對比

 

由圖5和圖8可以看到，由于試樣能量級別較高，超高能量級試樣與砧座接觸部分的變形非常大，吸收了很多摩擦功。從擺錘與試樣剛剛開始接觸摩擦力便開始做功，這一過程一直持續(xù)到試樣完全脫離砧座，做功時間持續(xù)較長，故而兩條力-時間曲線一直保持很大的落差，導(dǎo)致最終磨損砧座測得的總沖擊吸收能量高達(dá)268.7J，而新砧座測得的總沖擊吸收能量為240.9J，兩者相差11.5％。

 

由圖6和圖9可以看到，高能量級試樣與砧座接觸部分的變形較大，吸收了較多的摩擦功。從中后期開始兩條力-時間曲線落差明顯增大，故摩擦力做功主要集中在沖擊過程的中后期，做功時間不是很長。磨損砧座測得的總沖擊吸收能量為137.7J，新砧座測得的總沖擊吸收能量為128.0J，兩者相差7.5％。

 

由圖7和圖10可以看到，中能量級試樣與砧座接觸部分的變形比較小。在后期兩條力-時間曲線落差才開始顯現(xiàn)，故摩擦力做功基本出現(xiàn)在沖擊過程的后期，做功時間較短。磨損砧座測得的總沖擊吸收能量為88.2J，新砧座測得的總沖擊吸收能量為83.3J，兩者相差5.8％。

 

表2 新、磨損砧座測得的不同能量級別試樣的沖擊吸收能量對比

 

以上結(jié)果綜合對比見表2，可見試樣能量級別越高，受砧座磨損影響越大，摩擦做功越多，導(dǎo)致最終得到的沖擊吸收能量偏高越多。

 

結(jié)論

 

(1)用因磨損導(dǎo)致曲率半徑嚴(yán)重變形的砧座進(jìn)行沖擊試驗時，會在試驗過程中產(chǎn)生額外的摩擦功，導(dǎo)致試驗得到的沖擊吸收能量較實際值偏高。

 

(2)試樣能量級別越高，受砧座磨損影響越大，摩擦力越大，做功持續(xù)時間越長，導(dǎo)致最終測得的沖擊吸收能量偏離實際值越大。

 

(3)在每次沖擊試驗后要及時清理砧座上的殘留毛刺和切削殘屑，以減小試驗結(jié)果的偏差。

 

作者：謝曉宇，工程師，上海電氣核電設(shè)備有限公司