國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)夏比V型沖擊試樣的加工要求及其質(zhì)量控制

歷 妍,盧美嬌

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部,湛江524072)

金屬材料夏比擺錘沖擊吸收能量表征在沖擊載荷作用下材料塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，可以用來(lái)評(píng)價(jià)材料對(duì)最大能量一次沖擊載荷破壞的缺口敏感性，檢驗(yàn)和控制材料的冶金及熱加工質(zhì)量[1]。沖擊性能是金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，夏比V型缺口試樣是測(cè)試材料沖擊性能時(shí)較常用的試樣形式之一[2-5]。

夏比V型沖擊試樣的制備工藝復(fù)雜、工序多、效率低，加工質(zhì)量難以控制，如何制備夏比V型沖擊試樣成了力學(xué)性能測(cè)試工作中的一個(gè)難點(diǎn)[6-8]。試樣加工要求遵守相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，作為國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的質(zhì)量檢驗(yàn)試驗(yàn)室，為滿足不同客戶的需求，試樣需要按照不同的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工和測(cè)試，較為常用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、ISO 148-1：2016MetallicMaterials-CharpyPendulumImpactTest—Part1:TestMethod、ASTM E23：2018StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMetallicMaterials、JIS Z 2242：2018MethodforCharpyPendulumImpactTestofMetallicMaterials。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的加工精度及要求不同，因此按不同標(biāo)準(zhǔn)制備的試樣會(huì)存在一定的差異，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在差別。為此，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中夏比V型沖擊試樣的加工要求和加工過(guò)程中存在的一些問題進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)夏比V型沖擊試樣的批量加工工藝和加工質(zhì)量控制方法提出了建議。

1 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試樣的要求

1.1 術(shù)語(yǔ)和定義

圖1 夏比V型沖擊試樣幾何參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometric parameters of Charpy V-notch impact specimen: a) front view; b) side view; c) enlarged view of gab

夏比沖擊試樣的幾何參數(shù)對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，國(guó)內(nèi)外相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)其做出了明確的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中試樣的幾何參數(shù)如圖1所示，圖中L為試樣長(zhǎng)度；W為試樣開缺口面與其相對(duì)面之間的距離；B為與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸；A，C表示試樣的兩個(gè)基準(zhǔn)面，其中A指橫向基準(zhǔn)面，B指縱向基準(zhǔn)面。為方便討論，將GB/T 229—2007(下稱國(guó)標(biāo))、ISO 148-1：2016(下稱ISO標(biāo)準(zhǔn))、ASTM E23：2018(下稱ASTM標(biāo)準(zhǔn))、JIS Z 2242：2018(下稱JIS標(biāo)準(zhǔn))中關(guān)于夏比V型缺口沖擊試樣幾何參數(shù)的要求列表進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中試樣的幾何參數(shù)Tab.1 The geometric parameters of specimen in standards

由表1中各標(biāo)準(zhǔn)的幾何參數(shù)名稱對(duì)比可知，4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都將試樣長(zhǎng)度稱為“長(zhǎng)度L”，其他幾何參數(shù)主要有兩點(diǎn)差異。國(guó)標(biāo)中將試樣開缺口面與其相對(duì)面之間的距離稱為“高度h”，而ISO標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)中均稱為“寬度W”；國(guó)標(biāo)中將與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸稱為“寬度w”，而ISO標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)中均稱為“厚度B”，這個(gè)尺寸取自試樣的軋制厚度，在試驗(yàn)室加工中為了便于操作人員的理解，常采用“厚度”來(lái)表示該參數(shù)，而國(guó)標(biāo)中稱“寬度”，容易混淆。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其他幾何參數(shù)如缺口角度和缺口底部高度等的命名方式相同。

1.2 尺寸及允許偏差

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的加工精度及要求不同，因此對(duì)各尺寸精度的要求進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，國(guó)標(biāo)、ISO標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)幾何參數(shù)的尺寸公差要求基本一致，而ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸、缺口角度、缺口底部高度、試樣縱向面間夾角等尺寸公差限定更為嚴(yán)格，而對(duì)試樣長(zhǎng)度和缺口到端面的距離等尺寸公差要求相對(duì)寬松。

1.3 表面粗糙度

對(duì)于試樣加工面的表面粗糙度，國(guó)標(biāo)、ISO標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)的要求基本一致，而ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求較嚴(yán)格，缺口面和錘擊面的表面粗糙度不大于2 μm，厚度上下表面的粗糙度不大于4 μm，如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)中試樣的加工精度Tab.2 The processing accuracy of specimen in standards

1.4 試樣標(biāo)記

試樣標(biāo)記應(yīng)遠(yuǎn)離缺口，不應(yīng)標(biāo)在與支座、砧座或擺錘刀刃接觸的面上。ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定更為具體,標(biāo)記只能放在以下位置：試樣的兩端面；試樣在砧座上就位時(shí)，試樣面向上的一側(cè)；開缺口面的對(duì)面。同時(shí)，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定試樣任一側(cè)上的標(biāo)記都不應(yīng)在缺口中心線10 mm的范圍內(nèi)；試樣標(biāo)記應(yīng)避免塑性變形和表面不連續(xù)性對(duì)沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 加工質(zhì)量控制

2.1 加工方法

沖擊試樣的加工方法可分為兩種：一種是立銑-平面磨床-臥銑加工法，另一種是組合式加工中心加工法。

立銑-平面磨床-臥銑是傳統(tǒng)的沖擊試樣加工方法，試樣通過(guò)鋸切(火焰切割或剪切)、銑削、磨削、開缺口等加工工序，最終達(dá)到尺寸和加工精度的要求，目前這種方法在企業(yè)中應(yīng)用較廣泛。

組合式加工中心加工法是將傳統(tǒng)方法中獨(dú)立加工的各道工序集中起來(lái)，用一臺(tái)集成的數(shù)控設(shè)備去完成沖擊試樣的加工，這樣既可以節(jié)省設(shè)備的占地面積又可以提高工作效率。該類設(shè)備主要用于中厚板沖擊試樣的加工，能夠自動(dòng)地完成試樣加工的各個(gè)工序，包括試樣的標(biāo)記和開缺口，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，且沖擊試樣的一致性較好，尤其在加工量較大時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。

2.2 試樣標(biāo)記

ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定試樣標(biāo)記可采用噴墨、激光、記號(hào)筆書寫等方式。無(wú)論采用何種標(biāo)記方式，都不應(yīng)標(biāo)記在與支座、砧座或擺錘刀刃接觸的面上。為了保證操作人員在試樣保溫和進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的過(guò)程中都可以清晰辨識(shí)試樣的標(biāo)記，常標(biāo)記在試樣在砧座上就位時(shí)，試樣面向上的一側(cè)，如圖2所示。

圖2 試樣標(biāo)記方式Fig.2 Specimen marking methods:a) laser marking; b) marker marking

采用組合式加工中心加工法進(jìn)行加工時(shí)，可將試樣標(biāo)記作為一個(gè)自動(dòng)化加工工序，采用激光法標(biāo)記在試樣的指定位置，如圖2a)所示。由于試樣在加工過(guò)程中的信息都被控制系統(tǒng)記錄，故省略了傳統(tǒng)加工工藝中每一道工序完成后的標(biāo)記轉(zhuǎn)移和補(bǔ)充工作，不僅提高了效率，也避免了人工標(biāo)記時(shí)可能寫錯(cuò)編號(hào)或標(biāo)記不清晰的風(fēng)險(xiǎn)，圖2b)為人工記號(hào)筆標(biāo)記。

國(guó)標(biāo)、ISO標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)均要求試樣標(biāo)記應(yīng)遠(yuǎn)離缺口，而ASTM標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：標(biāo)記的位置不應(yīng)在缺口中心線10 mm的范圍內(nèi)。從而避免沖擊斷裂造成標(biāo)記位置存在明顯變形而無(wú)法追溯的情況，錯(cuò)誤的標(biāo)記位置如圖3所示。

圖3 錯(cuò)誤的試樣標(biāo)記位置Fig.3 Wrong specimen marking position

2.3 試樣加工質(zhì)量驗(yàn)收

鋼鐵產(chǎn)品通常有不同國(guó)家、不同行業(yè)的客戶，而試驗(yàn)室需要滿足不同客戶的標(biāo)準(zhǔn)需求，因此對(duì)于試樣加工的精度允許偏差往往更加嚴(yán)格，各項(xiàng)指標(biāo)均需按照最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如表2所示。研究表明：缺口底部高度和缺口角度對(duì)試樣缺口敏感性的影響最大；試樣開缺口面與其相對(duì)面之間的距離及與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸的影響次之，試樣長(zhǎng)度的影響最小[9-10]。試樣開缺口面與其相對(duì)面之間的距離、與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸、缺口角度的加工精度和表面粗糙度按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行。對(duì)試樣長(zhǎng)度和缺口對(duì)稱面到端部距離應(yīng)嚴(yán)格控制，應(yīng)根據(jù)沖擊試驗(yàn)機(jī)的對(duì)中裝置做出適合的規(guī)定，國(guó)標(biāo)規(guī)定如采用自動(dòng)定位裝置保證試驗(yàn)機(jī)的沖擊對(duì)中性，試樣缺口對(duì)稱面到端部的距離可以用±0.165 mm代替±0.42 mm。

相比傳統(tǒng)加工方式只能采用按批抽檢的方法對(duì)成品試樣的質(zhì)量進(jìn)行檢查，組合式加工中心加工法可以在程序設(shè)置中增加對(duì)試樣尺寸精度和缺口精度的在線自動(dòng)檢測(cè)，這對(duì)試驗(yàn)室沖擊試樣加工質(zhì)量的管控十分有利。這種便利尤其體現(xiàn)在對(duì)缺口的檢測(cè)中，V型缺口的截面積不足1.7 mm2，因此對(duì)尺寸和形狀要求比較嚴(yán)格，這些要素對(duì)獲得正確的試驗(yàn)結(jié)果十分重要。而缺口的截面和尺寸偏差都很小，一般使用投影儀進(jìn)行檢查。將缺口形貌放大50倍，測(cè)試缺口根部半徑、缺口深度和角度三要素的尺寸和偏差。這項(xiàng)工作目前仍依靠人工進(jìn)行測(cè)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如果采用帶有在線精度自動(dòng)檢測(cè)的組合式加工中心加工法，則可利用機(jī)械手和自動(dòng)投影裝置的配合作業(yè)輕松完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)每件成品試樣的精度檢測(cè)，可以大幅度提高工作效率。與此同時(shí)，對(duì)試樣加工精度的在線檢測(cè)結(jié)果可及時(shí)反饋給加工系統(tǒng)，為加工刀具的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和刀具補(bǔ)償提供依據(jù)，通過(guò)及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，可以避免試樣的批量加工不合格。

3 結(jié)論及建議

國(guó)內(nèi)外沖擊試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于沖擊試樣的加工要求存在較大的差異。ISO標(biāo)準(zhǔn)、JIS標(biāo)準(zhǔn)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊試樣幾何尺寸的名稱、符號(hào)定義更為準(zhǔn)確，在樣坯切取和試樣加工中不容易混淆。國(guó)標(biāo)、ISO標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣機(jī)加工偏差的要求基本一致；ASTM標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)缺口角度、缺口底部高度、試樣縱向面間夾角及與缺口軸線平行且垂直于高度方向的尺寸等尺寸要素的公差限定更為嚴(yán)格，而對(duì)試樣長(zhǎng)度和缺口到端面的距離等尺寸公差要求相對(duì)寬松。對(duì)于試樣加工面的表面粗糙度，ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求較其他標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。在試樣標(biāo)記方面，ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求較其他標(biāo)準(zhǔn)更為具體和更具可操作性。

組合式加工中心加工法實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，加工成品的一致性較好，在大批量沖擊試樣加工中，其加工效率高，設(shè)備占地面積小，并能很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)試樣標(biāo)記、加工精度的在線檢測(cè)和管理，有利于試樣加工質(zhì)量的控制，是試驗(yàn)室沖擊試樣加工設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

建議試驗(yàn)室在實(shí)際加工過(guò)程中，要注意滿足不同標(biāo)準(zhǔn)的要求。為避免因加工不同精度的試樣而頻繁調(diào)整工藝參數(shù)，試驗(yàn)室應(yīng)制定一套統(tǒng)一的加工工藝，且各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)按照最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4 對(duì)GB/T 229—2007的修訂建議

在GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)試樣寬度和厚度的定義與其他標(biāo)準(zhǔn)不同，在樣坯切取和試樣加工中容易混淆。建議國(guó)標(biāo)中對(duì)術(shù)語(yǔ)和定義做如下修訂：

(1) 寬度W：帶有缺口的面和與之相對(duì)的面之間的距離。

(2) 厚度B：與缺口平行且垂直于寬度方向的尺寸。