夏比Ｖ型冲击试验的尺寸效应及工程应用.docx

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1、夏比V型冲击试验的尺寸效应及工程应用夏比V型冲击试验广泛应用于钢制品的质量检验并形成了规范，用以评价材料（或构件）的冶金质量，特别是规定温度下材料的抗断裂能力。试验通常采用尺寸为IommX1ommX55mm的标准试样，将试验结果与技术要求值进行比较后，可以判断材料是否合格。当工件受尺寸限制，不能制备标准试样时，可采用非标准小尺寸试样，且各标准或规范给出了采用小尺寸试样时要求值按有效截面积折算的方法。然而，工程实践中这样的折算方法时常被泛化，被误认为小尺寸试样与标准试样之间始终存在着比例关系。为此,笔者以Q245R钢板为研究对象，对不同尺寸的试样在不同温度下进行了夏比V型冲击试验，研究了夏比V型

2、冲击试验的尺寸效应问题，同时对小尺寸试样在工程应用中主流标准处置方法以及方法之间差异等问题进行了探讨，以期为相关人员提供参考。1试样制备与试验方法1.1 试样制备试验材料为正火态Q245R钢板，钢板厚度为25mm,其化学成分（质量分数/%）为0.19Cz0.28Si,0.64Mn,0.01P,0.004Soo5AI,0.001NboO14Ti,0.002V;该钢板的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为7.5级。沿钢板横向取样，试样轴线位于钢板1/2处，V型缺口垂直于钢板表面，试样表面采用磨床磨光，缺口采用专用成形铳刀加工，缺口底部高度为（80.025）mm,在投影仪下50倍放大检查,加工质量需符

3、合GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法的要求。试样共制备5组，第1组为10mm10mm55mm标准试样（以下简称为标准试样）72个；第24组分别为7.5mm10mm55mmf5mm10mm55mm,2.5mm10mm55mm非标准小尺寸试样（以下分别简称为7.5,5,2.5mm小尺寸试样）各72个；第5组为取自钢板不同部位的厚度为5z2.5mm小尺寸试样各18个。1.2 试验方法将上述第14组试样每组分成8份,每份9个试样，按GB/T19748-2005钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法分别在-80,-60,-40,-30,-20,0,20,40。C共8个温度下采用RK

4、P450型冲击试验机对每份试样进行冲击试验。第5组两种试样各分为2份，一份在砧座上加装垫片，另一份砧座上不加装垫片，在室温下采用RKP450型冲击试验机进行冲击试验，这样一方面评估试验材料冲击韧度的均匀性，另一方面评估试样尺寸改变后，摆锤打击中心的微小变化对于试验结果的影响。冲击试验机摆锤刀刃半径为2mm,锤头最大冲击能量为450J,冲击速度为5.2ms-1o低温冷却介质为酒精，室温以上加热介质为水,采用数显温度计测温，不给予温度补偿，试样从移出到打断的时间控制在5s以内。试验机自动采集载荷-位移曲线，读取冲击吸收能量KVx裂纹形成能量Wi（最大力之前消耗的能量）、裂纹扩展能量Wp（最大力之后

5、消耗的能量）等。试验后，采用游标卡尺测量试样的韧性断面率，从而得到韧脆转变温度曲线。冲击试验的误差来源较多，试验结果可能存在离散。为尽可能减小外因干扰，试验除保证所有试样均取自于同一钢板以外，每个温度下试验9个试样，并在数据处理时去除一个最高值和一个最低值。虽然这样的处理方式欠严谨，但仍可视为减少试验误差的简单方法。2试睑结果2.1 第14组试样冲击试验图1为不同尺寸试样的冲击吸收能量和裂纹形成能量随温度变化的手工拟合曲线。表1给出了不同尺寸试样在不同温度下冲击吸收能量的平均值，以及小尺寸试样与标准试样的冲击吸收能量比值。图I不同尺寸试样的冲击吸收能量和裂纹形成能量随温度的变化曲线由图2可以看

6、出,厚度为10,7.5,5z2.5mm试样的韧脆转变温度(FATT50)分别为-10,-16,-20,-42。图2不同尺寸试样的韧脆转变温度曲线表1不同尺寸试祥的冲击吸收能量Tab.1Impactabsorptionencofamp1ewi1hdifferentsxcCIarrKV1OKV；Kvi/KVi.1Kv7.KmKKv：1.Kv：KVhHO0.810.412o13810658220.770J20.1601099644210.88OJO0.19-20658539201.000.600.31-30346030191.780.880.5-40182628141.441.560.78-6。7.

7、15.8158.80.822.111.24o3.02.71.96.40.900.632.!3小战样。标及试样被面积比（0.750500.252.2 HsKv1-.Kv.Kv.Kv分别为林海出样和7.5.5.2.5mm小尺寸试怦的冲力喂收徒M2.3 第5组试样冲击试验由表2所示的第5组两种尺寸试样在是否加装砧座垫片情况下的室温冲击试验结果对比可以看出，试验钢板的冲击韧度均匀性较好，这说明上述试验结果更具有可信性。表2第5组试样的室温冲击试验结果Iah.2Impacttestresu1tsofNo.5groupsamp1esatroomtemperature试样尺寸mm在砧座上加装垫片情况冲击吸收

8、能盘测试值/J平均值/J5不装57576556596360636360.3装59635763676264626362.3不装22212222212221222221.72.5装21212122222122212121.33分析与讨论3.1冲击吸收能量与试样截面积由表1可以看出，7.5,5,2.5mm小尺寸试样与标准试样冲击吸收能量的比值与试样截面积比值没有明显的对应关系。在部分温度下，小尺寸试样的冲击吸收能量为标准试样的172倍，这是因为随着试样尺寸减小，其韧脆转变温度曲线向低温方向移动，如图2所示。在相同的试验温度下，当小尺寸试样尚处于韧性断裂状态时，尺寸较大试样已转变或部分转变为脆性状态，

9、这使得小尺寸试样的冲击吸收能量更高。当试验温度进一步降低后，小尺寸试样与标准试样冲击吸收能量的比值下降，这也是由韧脆转变所导致。此时，小尺寸试样也变为脆性状态,其冲击吸收能量降速加快。ASTME23:2016StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMeta11icMateria1s规定：不同尺寸试样获得的冲击吸收能量一般不可换算，这与上述试验结果一致。需要注意的是，对于厚度为5mm及以下的试样，在相对高的试验温度下，其与标准试样冲击吸收能量的比值要低于或远低于截面积比值。在工程实践中，有时会要求上平台值或者某一更高冲击值，此时采用不同尺寸试

10、样，其结果可能大相径庭。如采用标准试样合格，而小尺寸试样却不合格，从图3中也可以观察到该现象，希望有关单位对此充分理解，并尽可能针对特定材料达成共识。160140120100806040200-90-70-50-30-10103050IrC图3经换算处理的冲击吸收能量-温度曲线另外由图1可以看出，在冲击吸收能量-温度曲线的上平台及紧邻温度区域，同一种尺寸试样在不同的温度下获得的裂纹形成能量基本恒定，不随温度变化而变化。3.2 不同标准体系对小尺寸试样冲击试验的处置方法根据ASMEBPVC.VIII.12017Ru1esforConstructionofPressureVesseIsfENI34

11、45:2014UnfiredPressureVesse1s,GB150一2011压力容器和NB/T470162011承压设备产品焊接试件的力学性能检验，小尺寸试样冲击试验的处置方法如表3所示。ASMEBPVC.VIII.1:2017围绕冲击试验制定了一整套复杂的防脆断体系，而小尺寸试样处置方法仅是其中一环。由表3可见，ASME（AmericanSocietyofMechanica1Engineers,美国机械工程师学会）、EN（EuropeanNorm,欧盟）和中国三大标准体系对于小尺寸试样冲击吸收能量的技术要求，均按标准试样冲击吸收能量规定值乘以截面积百分比换算，如7.5mm试样为标准试样的

12、75%,5mm试样为标准试样的50%o不同之处在于，ASME和EN标准均要求对于小尺寸试样的试验温度进行调整，且调整幅度有差异。而GB1502011和NB/T470162011则没有类似要求。不同尺寸试样获得的冲击吸收能量和截面积没有明确关系，而上述标准中却给出了按截面积比值进行换算的方法，其实两者并不矛盾，因为上述标准中换算问题的关键在于冲击吸收能量规定值。标准给出的换算百分比只针对特定的冲击吸收能量，即规定值。以表3中ASMEBPVC.VIH.1:2017为例只有当冲击吸收能量的规定值为27J时,7.5mm试样对应的冲击吸收能量为20J,5mm试样对应的冲击吸收能量为14J,三者才等效，并

13、同时作为对象材料门槛值。假如某材料采用标准试样的冲击吸收能量为IooJ,则并不意味着5mm小试样的冲击吸收能量为50J。换言之，换算方法只对冲击吸收能量规定值有效，不具有普遍意义。换算方法是经过对给定材料专门研究后，建立的限定关系。冲击吸收能量实测值高于规定值则合格，材料韧性足够；冲击吸收能量实测值低于规定值，则不合格，材料存在脆断风险。所以，冲击吸收能量规定值对于设备安全至关重要，得到适宜规定值的换算关系在工程应用中具有重要意义。ASMEBPVC.VI.1:2017EN13445:2014对于小尺寸试样需要调整试验温度，而GB1502011和NB/T470162011不予调整，为明确哪种方法

14、更合理，将图1和表1中小尺寸试样的冲击吸收能量按截面积关系换算为标准试样的冲击吸收能量，结果如图3所示。由此可得到任意指定的冲击吸收能量下不同尺寸试样所对应的试验温度。选取工程应用中最具代表性的冲击吸收能量规定值27,40,68J彳导到对应的试验温度如表4所示。由图3可见，对于Q245R钢板，经换算后的4种尺寸试样的冲击吸收能量-温度曲线呈蝴蝶结状。在接近上平台及上平台区曲线松散开来，小尺寸试样特别是5z2.5mm试样获得的冲击吸收能量（换算值）明显低于标准试样的；在接近下平台区域，4条曲线再次松散开来，此时对于同一冲击吸收能量，小尺寸试样对应的试验温度更低。H3不同标准对于小尺寸试林夏比、至冷击试好的处置方法Tab.3DK1MeMmethod、ofCharpV-IUMchimpactteMofmmIIsizesamp1eindifferent7antrh售依准小尺寸试样%冲冲击吸收徒址规定定1jI林冲试样厚度mm冲击吸救住址JP?/11购洋状总温度Y207.5/v,-3ASMEBPVC.V1IIJ：20172710145,v-12.5v28207.5，kv-5EN13i15s201i2710I15/KV-20307.5IKV51010205v-20