圖 1 不同厚度的試樣支座墊片
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夏比沖擊試樣加工流程繁瑣,其性能反映了材料的組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等特點(diǎn)。夏比沖擊試驗(yàn)是金屬材料最基礎(chǔ)、最重要的力學(xué)性能試驗(yàn)之一。在實(shí)際試樣加工過(guò)程中,由于某些薄板的厚度不夠,無(wú)法制取尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度,下同）為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣,不得不采用尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm、10 mm×5.0 mm×55 mm、10 mm×2.5 mm×55 mm等小尺寸試樣來(lái)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、ISO 148-1：2016（E）《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》、JIS Z 2242：2018 《金屬材料的擺式?jīng)_擊試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)中提出：對(duì)于低能量的沖擊試驗(yàn),用墊片使小尺寸試樣位于擺錘中心位置,以避免額外的能量吸收；對(duì)于高能量的沖擊試驗(yàn),采用墊片的重要性不大。小尺寸試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)保證材料質(zhì)量具有重要意義。在進(jìn)行小尺寸沖擊試驗(yàn)時(shí),根據(jù)不同厚度試樣,需更換不同墊片,在操作上帶來(lái)不便。為分析沖擊墊片對(duì)不同厚度試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律,筆者分別采用使用墊片和不使用墊片的方式對(duì)高、中、低能量級(jí)V形缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進(jìn)行了一系列研究,結(jié)果可為提高小尺寸試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供支持。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
1.1 試樣制備
試驗(yàn)材料采用厚度為11.75 mm的Q235B低碳鋼板,其屈服強(qiáng)度為305 MPa,抗拉強(qiáng)度為448 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為27.0%,尺寸為10 mm×10 mm×55 mm試樣的沖擊吸收能量平均值為150 J。該批試樣均取樣于鋼板寬度1/4位置處,按照GB/T 229—2020的要求,制備了尺寸分別為10 mm×7.5 mm×55 mm、10 mm×5 mm×55 mm、10 mm×2.5 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣。
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室配備的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī),擺錘能量為750 J,能量損失為0.18%,擺錘錘刃半徑為2 mm。對(duì)3種小尺寸試樣分別增加2.5,5.0,7.5 mm厚度的墊片（見(jiàn)圖1）,在室溫下對(duì)3種試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 沖擊墊片對(duì)沖擊吸收能量的影響
厚度為7.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果如表1所示,試樣沖擊吸收能量F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2可知：厚度為7.5 mm小尺寸試樣增加墊片前后的沖擊吸收能量平均值分別為118.9,118.7 J；F檢驗(yàn)的結(jié)果為1.01,當(dāng)顯著水平為0.05,F分布的兩個(gè)自由度均為14時(shí),查表可知分布值F表為2.48,F＜F表,說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)的精密度無(wú)顯著性差異；t檢驗(yàn)的結(jié)果為0.09,當(dāng)顯著水平為0.05,t分布的自由度為14時(shí),查表可知分布值t表為1.76,t＜t表,說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)一致,不存在顯著性差異。綜上所述,當(dāng)厚度為7.5 mm時(shí),增加墊片對(duì)試樣沖擊吸收能量的結(jié)果沒(méi)有影響。
Table 1. 厚度為7.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果
| 試樣狀態(tài) | 沖擊吸收能量 | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
| 加墊片 | 127 | 116 | 119 | 112 | 126 | 119 | 109 | 114 | 124 | 116 | 111 | 124 | 123 | 113 | 127 |
| 不加墊片 | 127 | 111 | 123 | 116 | 121 | 116 | 111 | 120 | 121 | 117 | 111 | 121 | 130 | 112 | 126 |
Table 2. 厚度為7.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
| 試樣狀態(tài) | 沖擊吸收能量平均值/J | 相對(duì)誤差/% | 標(biāo)準(zhǔn)偏差/J | F | t | F表 | t表 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 加墊片 | 118.7 | 0.22 | 6.17 | 1.01 | 0.09 | 2.48 | 1.76 |
| 不加墊片 | 118.9 | 0.22 | 6.13 |
厚度為5.0 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果如表3所示,試樣沖擊吸收能量F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。由表4可知：厚度為5.0 mm小尺寸試樣增加墊片前后的沖擊吸收能量平均值分別為70.5,68.9 J；F檢驗(yàn)的結(jié)果為0.89,F表為2.48,F＜F表,說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)的精密度無(wú)顯著性差異；t檢驗(yàn)的結(jié)果為1.75,t表為1.76,t＜t表,說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)一致,不存在顯著性差異。綜上所述,當(dāng)厚度為5.0 mm時(shí),增加墊片對(duì)試樣沖擊吸收能量的結(jié)果沒(méi)有影響。
Table 3. 厚度為5.0 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果
| 試樣狀態(tài) | 沖擊吸收能量 | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
| 加墊片 | 71.8 | 66.2 | 71.8 | 69.6 | 65.3 | 69.3 | 69.3 | 68.6 | 72.0 | 69.0 | 71.9 | 67.4 | 69.5 | 64.8 | 67.6 |
| 不加墊片 | 67.8 | 69.4 | 70.0 | 73.4 | 68.8 | 73.2 | 72.5 | 71.4 | 73.0 | 67.5 | 75.2 | 69.7 | 68.9 | 66.8 | 69.8 |
Table 4. 厚度為5.0 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
| 試樣狀態(tài) | 沖擊吸收能量平均值/J | 相對(duì)誤差/% | 標(biāo)準(zhǔn)偏差/J | F | t | F表 | t表 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 加墊片 | 68.9 | 2.31 | 2.36 | 0.89 | 1.75 | 2.48 | 1.76 |
| 不加墊片 | 70.5 | 2.31 | 2.49 |
厚度為2.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果如表5所示,試樣沖擊吸收能量F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。由表6可知：厚度為2.5 mm小尺寸試樣增加墊片前后的沖擊吸收能量平均值分別為28.9,27.1 J；F檢驗(yàn)的結(jié)果為0.45,F表為2.48,F<F表,說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)的精密度無(wú)顯著性差異；t檢驗(yàn)的結(jié)果為7.24,t表為1.76,t＞t表,說(shuō)明兩組存在顯著性差異。綜上所述,當(dāng)厚度為2.5 mm時(shí),增加墊片對(duì)試樣沖擊吸收能量的結(jié)果有影響。
Table 5. 厚度為2.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果
| 沖擊吸收能量 | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 試樣狀態(tài) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 加墊片 | 26.6 | 27.2 | 27.3 | 26.6 | 27.4 | 26.5 | 27.0 | 27.2 | 27.2 | 27.7 | 26.3 | 27.9 | 26.9 | 27.3 | 28.1 |
| 不加墊片 | 27.7 | 28.8 | 28.1 | 28.8 | 29.1 | 28.8 | 28.2 | 29.1 | 28.7 | 29.4 | 27.9 | 29.7 | 29.0 | 29.0 | 30.8 |
Table 6. 厚度為2.5 mm小尺寸試樣的沖擊吸收能量F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
| 試樣狀態(tài) | 沖擊吸收能量平均值/J | 相對(duì)誤差/% | 標(biāo)準(zhǔn)偏差/J | F | t | F表 | t表 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 加墊片 | 27.1 | 6.36 | 0.52 | 0.45 | 7.24 | 2.48 | 1.76 |
| 不加墊片 | 28.9 | 6.36 | 0.77 |
該試驗(yàn)所用的同一厚度試樣均是從同一張鋼板上切取的,材料性能不均勻性的影響基本可以忽略。綜合比較表2,4,6,可見(jiàn)厚度為7.5,5,2.5 mm小尺寸試樣增加墊片前后的相對(duì)誤差分別為0.22%,2.31%,6.36%,實(shí)驗(yàn)室對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果的允許誤差為不大于6%,即厚度為7.5,5.0 mm試樣的性能比較穩(wěn)定,這兩種小尺寸試樣的沖擊吸收能量均未達(dá)到低能量沖擊范圍（13~20 J）[1],因而增加墊片對(duì)整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果影響不大[2]。對(duì)于厚度為2.5 mm的試樣,增加墊片前后沖擊試驗(yàn)結(jié)果的誤差超過(guò)6%。對(duì)于低能量的沖擊試驗(yàn),用墊片使小尺寸試樣位于擺錘中心位置,可以避免額外的能量吸收。
2.2 沖擊墊片對(duì)斷樣側(cè)膨脹值的影響
不同厚度小尺寸試樣增加墊片前后的側(cè)膨脹值曲線如圖2所示。由圖2可知：厚度為7.5,5.0 mm試樣的側(cè)膨脹值相差很小,厚度為2.5 mm試樣的側(cè)膨脹值明顯減??；增加墊片前后,試樣的側(cè)膨脹值變化不大。側(cè)膨脹產(chǎn)生的原因是材料在沖擊過(guò)程中受到平面應(yīng)力并產(chǎn)生裂紋,裂紋擴(kuò)展向外擠壓[3],對(duì)于7.5,5 mm厚度的小尺寸沖擊試樣,裂紋擴(kuò)展能量幾乎是相同的,側(cè)膨脹值變化不大。對(duì)于2.5 mm厚度的小尺寸試樣,沖擊吸收能量為20~30 J,屬于低能量,裂紋擴(kuò)展能量較小,導(dǎo)致側(cè)膨脹值與7.5,5 mm厚度的小尺寸試樣相比減小。是否增加墊片對(duì)試樣的側(cè)膨脹值影響不大。
圖 2 不同厚度小尺寸試樣增加墊片前后的側(cè)膨脹值曲線
2.3 沖擊斷口的顯微組織
圖3為增加墊片前后沖擊試樣斷口附近的顯微組織形貌。由圖3可知：增加墊片前后沖擊試樣斷口附近都有少量的珠光體和鐵素體,晶粒度為9.0級(jí),晶粒比較細(xì),組織分布均勻,兩者在顯微組織上無(wú)明顯差異。
圖 3 增加墊片前后沖擊試樣斷口附近的顯微組織形貌
2.4 沖擊斷口的宏觀形貌
圖4是不同厚度試樣增加墊片前后的沖擊斷口宏觀形貌,左邊為未增加墊片,右邊為增加墊片。由圖4可知：增加墊片前后沖擊斷口的宏觀形貌基本相同,均為韌性斷裂,斷口為韌窩形貌。
圖 4 不同厚度試樣增加墊片前后的沖擊斷口宏觀形貌
3. 結(jié)論
（1）厚度為7.5,5.0 mm小尺寸試樣在常溫下的沖擊吸收能量達(dá)到60 J以上,不屬于低能量的沖擊試樣,因而是否增加墊片對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果影響不大；厚度為2.5 mm小尺寸試樣屬于低能量沖擊試樣,增加墊片對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。根據(jù)Q235B鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊吸收能量的規(guī)定,厚度為10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收能量不小于27 J,厚度不大于5 mm小尺寸沖擊試樣的沖擊吸收能量不小于規(guī)定值的50%,即不小于13.5 J。厚度為2.5 mm小尺寸試樣在常溫下的沖擊吸收能量達(dá)到13.5 J以上,遠(yuǎn)大于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,試驗(yàn)時(shí)可以選擇性地增加墊片。
（2）厚度為7.5,5.0 mm小尺寸試樣的側(cè)膨脹值相差很小,厚度為2.5 mm小尺寸試樣的裂紋擴(kuò)展起始力小,導(dǎo)致其沖擊吸收能量減小,相應(yīng)的側(cè)膨脹值也減小。對(duì)于不同厚度的小尺寸試樣,是否增加沖擊墊片對(duì)其側(cè)膨脹值影響不大。
（3）是否增加墊片對(duì)小尺寸試樣沖擊斷口的顯微組織形貌和宏觀形貌無(wú)明顯影響。
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