沖擊性能是指材料抵抗沖擊載荷的能力，在材料力學性能的研究中具有重要意義。沖擊試驗機是用來測試材料沖擊韌性的設備，由機座、機架、擺錘、沖擊刀刃、操作機構和讀數裝置等6個部分組成，根據需要還可增加一些輔助設備，如高低溫裝置、試樣自動對中裝置等。目前，許多機械結構的設計都向著輕量化方向發(fā)展，這就要求材料具有較高的強度和硬度，以及良好的塑形和韌性，該類型的材料進行沖擊試驗時，會對沖擊試驗機造成一定的損壞，尤其會使沖擊刀刃的使用壽命大大縮短，甚至出現沖擊刀刃斷裂的現象，典型斷裂沖擊刀刃的宏觀形貌如圖1所示。來自河鋼集團鋼研總院的邢承亮、宋月等研究人員對沖擊試樣、沖擊刀刃、沖擊試驗機的選擇以及試驗過程等方面進行了研究，查明了沖擊刀刃斷裂的原因，提出了合適的控制方法，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、沖擊試樣的選擇
1.1 試樣尺寸
按照 GB/T229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求，對沖擊試樣進行加工，沖擊試樣的尺寸如圖2所示。標準中規(guī)定了2.5，5，7.5，10mm的4種不同厚度的沖擊試樣，隨著厚度的增加，試樣的沖擊吸收能量不斷變大。一般試樣都有加工缺口，當缺口底部過渡圓弧的半徑過大、開口角度偏大、缺口深度較小時，會引起試樣的沖擊吸收能量明顯變大，導致試樣的沖擊韌性提高，進而對沖擊刀刃造成損壞。
1.2 試樣缺口形式
一般規(guī)定了V形、U形和無缺口等3種缺口形式的沖擊試樣。沖擊試樣的缺口形式對沖擊韌性的測試結果影響非常大，夏比V形缺口比夏比 U形缺口底部過渡圓弧半徑更為尖銳，更能反映材料缺口和內部缺陷對動態(tài)載荷的敏感性。對于U形缺口試樣，進行沖擊試驗時，其沖擊吸收能量大部分消耗于裂紋的形成階段，而對于V形缺口試樣，其沖擊吸收能量大部分消耗于裂紋的擴展階段，無缺口試樣試驗時無法造成應力集中，所獲得的沖擊吸收能量要遠大于有缺口試樣。因此在試驗前要認真選擇試樣的缺口形式，以避免試驗時沖擊吸收能量過大造成刀刃的損壞。
1.3 試樣缺口檢驗
在進行V形、U形缺口試樣的沖擊試驗時，要求V形缺口試樣缺口的深度為2mm，呈45°角，缺口底部過渡圓弧半徑為(0.25±0.025)mm；U形缺口試樣缺口的深度為2mm或5mm，缺口底部過渡圓弧半徑為(1±0.07)mm。試樣缺口的加工質量不合格會導致沖擊試驗的結果不可信，并引起試驗結果的陡跳。缺口加工質量檢驗是保證試樣缺口尺寸合格的重要質量控制手段。在進行沖擊試驗之前，需要對缺口進行加工質量檢驗，以避免試驗期間發(fā)生沖擊吸收能量的陡跳，損壞刀刃。
2、沖擊刀刃的選擇
2.1 加工沖擊刀刃的材料
加工室溫沖擊刀刃的材料應具有高的硬度、強度，良好的耐磨性、淬透性、淬硬性、組織性能均勻性等，以及足夠的韌性。冷作模具鋼一般屬于高碳合金鋼，其碳元素質量分數大于0.80%，最高可達2.0%~2.3%，鉻元素是這類材料的重要合金元素，其質量分數通常不大于5%，為了提高材料的耐磨性和淬火后變形小的特性，鉻元素的質量分數最高可達13%。冷作模具鋼中形成了大量的碳化物，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏體鋼，因此冷作磨具鋼是加工室溫沖擊刀刃材料的首選。
加工高溫沖擊刀刃的材料應具有較高的高溫強度，良好的熱疲勞穩(wěn)定性、導熱性、耐腐蝕性、淬透性等。熱作模具鋼屬于中碳合金鋼，碳元素的質量分數為0.30%~0.60%，屬于亞共析鋼，鋼中因加入了較多的合金元素(如鎢、鉬、釩元素等)而成為共析或過共析鋼，因此熱作磨具鋼是加工高溫沖擊刀刃材料的首選。
2.2 沖擊刀刃的設計及加工
沖擊刀刃在結構設計時應該避免出現尖角、棱角等造成應力集中的受力點，以防止在高速動態(tài)載荷下損壞刀刃，典型的沖擊刀刃設計結構如圖3所示。
在進行機加工前，需要對加工材料進行全面的無損檢測，以防止產生細小裂紋等缺陷。缺陷會在多次試驗過程中成為疲勞裂紋源，縮短刀刃的使用壽命。沖擊刀刃的機加工過程為：粗加工階段切除加工表面上的絕大部分余量，在毛胚上加工出接近沖擊刀刃的尺寸和形狀；半徑加工階段為精加工做鋪墊，在粗加工后的刀刃上去除留下的誤差和缺陷，獲得較好的精度，并完成一些非主要位置的加工；精加工階段切除加工表面上的微量材料，控制加工表面的加工質量。該過程即保證了沖擊刀刃的加工精度，又避免了因加工缺陷而引起的沖擊刀刃斷裂問題。
2.3 沖擊刀刃半徑的選擇
沖擊刀刃半徑有8mm和2mm兩種，一般情況下采用8mm 擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量要高于采用2mm擺錘刀刃半徑測得的，兩種沖擊刀刃半徑測得的側膨脹值、剪切斷面率以及韌脆轉變溫度也都有所不同。因此在進行沖擊試驗前要選擇合適的刀刃半徑，以防止因刀刃半徑選擇不當而對刀刃造成損壞。
3、沖擊試驗機的選擇
3.1 試驗方法
簡支梁沖擊試驗機是將試樣水平放置且不固定試樣兩端。該試驗機釋放擺錘后，從中間對試樣施加沖擊彎曲負荷并使試樣破裂。該試驗機可用于生產過程中的質量控制，也可用于比較不同材料的沖擊韌性。
懸臂梁沖擊試驗機是將試樣垂直放置且夾住一端，另一端接受擺錘釋放的能量，試樣因受到打擊而產生破壞。該試驗機可測定材料被擺錘沖擊時的抗沖擊性能，可用于快速確定材料是否符合所需沖擊強度的要求，也可用于比較材料的沖擊韌性。
簡支梁沖擊試驗機和懸臂梁沖擊試驗機對試樣的作用力不同，試驗前要根據試驗方法選擇合適的試驗機，避免因方法選擇不當而對沖擊刀刃造成損壞。
3.2 試驗機量程
試驗前要對試樣的沖擊性能有一定的了解，選擇合適量程的沖擊試驗機，一般要求試樣的沖擊吸收能量不超過試驗機量程的80%，以避免對沖擊刀刃造成損壞。當無法估計試樣的沖擊吸收能量時，要選擇大量程試驗機，或先將試樣加工得較薄一些，完成初步的沖擊試驗。
4、試驗過程
4.1 試樣放置
試樣缺口面應該與砧座面緊密貼合，沖擊刀刃沿著缺口對面向缺口背面打擊，試樣缺口對稱面偏離兩砧座間的中點距離應不大于0.5mm，否則擺錘高速打擊試樣時會產生緩沖，造成沖擊試驗結果失真，試樣與砧座距離和沖擊吸收能量的關系如表1所示。
試樣缺口中心需與沖擊刀刃中心重合，否則缺口處裂紋的形成及擴展會變得困難，造成沖擊試驗結果失真，試樣缺口中心偏離距離和沖擊吸收能量的關系如表2所示。
以上兩種情況都會造成沖擊試驗的測試值大于真實值，較大的測試值會對沖擊刀刃造成較大的危害，甚至造成刀刃斷裂。因此在手動放置試樣時要對中放好試樣，在自動送樣時要經常檢查自動對中裝置的有效性，以避免沖擊刀刃在試驗過程中發(fā)生斷裂。
4.2 刀刃固定
沖擊刀刃是由固定螺栓和擺錘連接在一起的，快速載荷的沖擊會對緊固螺栓施加一定的力，并造成螺栓松動，沖擊刀刃受力不均勻，導致發(fā)生斷裂。因此進行沖擊試驗前，要對沖擊刀刃的緊固性進行檢查，以避免螺栓出現松動。
5、結論
(1)試樣缺口的形式、高度、寬度和加工精度等對試樣的沖擊吸收能量影響很大，在進行試驗前要嚴格控制試樣的質量，以防止因試樣不合格而對沖擊刀刃造成損壞。
(2)沖擊刀刃合適的材料、合理的受力設計、多道次的精密加工是決定刀刃使用壽命的關鍵因素。
(3)根據試驗方法和試樣沖擊性能合理選擇試驗機，不合適的試驗機類型、量程都會對沖擊刀刃造成損壞。
(4)試驗過程中要特別注意試樣對中、刀刃緊固等問題，以避免沖擊刀刃發(fā)生斷裂。
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