3种金属材料夏比冲击试验方法标准分析及对比

宋秀文

(大连大重检测技术服务有限公司, 大连 116031)

工程机械中的许多零部件是在快速加载即冲击载荷条件下工作的，如汽车在凸凹不平的道路上行驶、飞机的起飞和降落等。韧性可分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性，其中冲击韧性的试验方法，按其服役工况有夏比冲击试验、艾氏冲击试验及冲击拉伸试验等。其中夏比冲击试验因其试样加工简便、试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验，也是评定金属材料在冲击载荷下韧性的重要手段之一[1-2]。

随着我国同欧美国家在工业、科技和贸易等方面合作日益密切，很多场合都要按照欧美标准测试金属材料的力学性能，因此有必要将中国和欧洲及美国有关金属材料夏比冲击试验方法标准之间存在的差异和联系进行比对，以便试验人员及时掌握相应试验标准。

中国的钢产品冲击试验标准一般采用GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，该标准修改采用ISO 148-1：2006《金属材料 夏比摆锤冲击试验 第1部分：试验方法》。

欧洲国家的钢产品冲击试验标准为EN ISO 148-1：2016《金属材料 夏比摆锤冲击试验 第1部分：试验方法》。ISO 148-1：2016被欧洲标准化委员会(CEN)批准为EN ISO 148-1：2016，且没有任何修改，在欧洲CEN成员国中执行。

美国的钢产品冲击试验标准有ASTM A370-18《钢制品力学性能试验的标准试验方法》中的20～30部分和ASTM E23-18《金属材料缺口试样标准冲击试验方法》两种试验方法，由于ASTM A370-18用于测试钢、不锈钢和相关合金产品的力学性能，并且冲击试验仅规定采用夏比V型缺口冲击试样，因此笔者对GB/T 229-2007，EN ISO 148-1:2016及ASTM E23-18等3种标准进行了分析与对比。

1 试验原理

GB/T 229-2007,EN ISO 148-1：2016及ASTM E23-18这3个冲击试验标准的试验原理均是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打断试样，测定试样的吸收能量。

2 冲击试样要求

2.1 试样尺寸要求

由表1可知，3个标准的试样总体分类基本相同，标准试样均为10 mm×10 mm×55 mm，在试样长度中间均有V型或U型缺口。3个标准中V型缺口小试样尺寸均开有10 mm×7.5 mm×55 mm及10 mm×5 mm×55 mm及10 mm×2.5 mm×55 mm这3种，另外ASTM A370-18中对V型缺口小试样尺寸规定还可采用10 mm×6.7 mm×55 mm及10 mm×3.3 mm×55 mm两种类型的试样。GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中U型缺口小试样尺寸有10 mm×7.5 mm×55 mm和10 mm×5 mm×55 mm两种，而ASTM E23-18中U型缺口无小试样尺寸规定。3个标准中试样V型缺口角度均为45°，缺口根部半径均为0.25 mm，缺口深度均为2 mm；U型缺口根部半径均为1 mm，缺口深度ASTM E23-18和EN ISO 148-1：2016均为5 mm，但GB/T 229-2007还增加了深度为2 mm的缺口试样，另外JB/T 6397-2006《大型碳素结构钢锻件 技术条件》附录A还规定了一种U型缺口深度为3 mm的冲击试样，在国标冲击试验中U型缺口深度为2 mm和3 mm的这两种试样较为常用。3个标准对尺寸公差的具体要求详见表1，由表1可以看出ASTM E23-18对冲击试样尺寸公差的要求较GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016的更为严格。由于冲击试样缺口尺寸的变化会严重影响试验结果，因此在试验中应特别注意V型缺口的检查，在使用投影仪检查ASTM E23-18冲击试样缺口时，必须使用符合ASTM E23-18标准的冲击试样样板。

表1 3个标准的冲击试样尺寸及允许偏差要求Tab.1 Impact specimen dimensions and allowable deviations requirements from the three standards

2.2 试样的表面粗糙度要求

GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016要求试样表面粗糙度Ra应优于5 μm,端部除外；ASTM E23-18要求粗糙度在缺口表面和背面小于等于2 μm，在其他两个表面小于等于4 μm。

3 试验设备

3个标准使用的摆锤式冲击试验机主要由机架、摆锤、钻座、指示装置及摆锤释放、制动和提升机构等组成，其基本参数、结构形式及操作方法大同小异，但冲击锤刃、砧座及试样支座等的尺寸公差略有不同。由表2可知，3个标准中试验机锤刃半径为2 mm和8 mm两种，而大多数情况下，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016冲击试验规定使用2 mm锤刃，ASTM E23-18冲击试验规定使用8 mm锤刃；GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中要求砧座圆角半径为(1～1.5) mm，ASTM E23-18中则要求砧座圆角半径为(1±0.05) mm；GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016中要求砧座跨距应保证(40+0.2) mm，ASTM E23-18中则要求砧座跨距应保证(40±0.05) mm。另外，ASTM E23-18中规定了锤刃及砧座表面粗糙度Ra≤0.1 μm，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016未对锤刃及砧座表面粗糙度进行规定。总体来说ASTM E23-18对试验机的特征参数的尺寸公差要求更为严格。

表2 3个标准的冲击试验机特征参数及尺寸公差要求Tab.2 Characteristic parameters and dimensional tolerance requirements of impact testing machine of the three standards

对于冲击试验机的能力范围，3个标准规定上限为试验机最大能量的80%， GB/T 229-2007规定下限为试验机最小分辨力的25倍，ASTM E23-18规定下限为25倍的刻度或读出装置在15 J时的分辨力。

4 试验程序

4.1 试验设备的准备

GB/T 229-2007规定试验前应检查摆锤空打时的回零差或空载能耗，并检查砧座跨距(40+0.2) mm，回零差不应大于摆锤最大能量的0.1%。EN ISO 148-1：2016规定在每天试验前应检查摩擦损耗，且不超过0.5%的标称能量。ASTM E23-18规定在每天、每个班次或者每个试验间歇期在进行试验之前都应对试验机进行检查，包括对摆锤和支座进行目视检查、试验机的0刻度位置及摩擦和风阻损耗，摩擦和风阻损耗应不超过0.4%的被测刻度范围，同时变化应不会超过10%的先前设备记录的百分比摩擦和风阻损耗测量值。

4.2 试验温度

对于室温冲击试验温度，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016规定应在(23±5) ℃进行，ASTM E23-18规定应在(20±5) ℃进行，而ASTM A370-18则规定室温试验温度为15～32 ℃。对于试验温度有规定的，GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016规定应在规定试验温度的±2 ℃进行，ASTM E23-18规定应在规定试验温度的±1 ℃进行，具体见表3。

表3 3个标准的冲击试验温度要求Tab.3 Impact test temperature requirements of the three standards

试样在冷却或加热介质中的保持时间，GB/T 229-2007规定，当使用液体介质冷却试样时，试样应在规定温度下保持至少5 min，当使用气体介质冷却试样时，试样应在规定温度下保持至少20 min，另外，对于试验温度不超过200 ℃的试验，试样应在规定温度±2 ℃的液池中保持至少10 min，对于试验温度超过200 ℃的试验，试样应在规定温度±5 ℃的高温装置内保持至少20 min。EN ISO 148-1：2016和ASTM E23-18规定试样在液体介质中至少保持5 min，在气体介质中至少保持30 min。总体来说GB/T 229-2007对试验温度的规定更为详细。

4.3 试样的转移

3个标准均要求试样从高温或低温装置中移出至打断的时间应不大于5 s，且移出装置和试样的接触部分要与试样一起加热或冷却，但EN ISO 148-1：2016中规定如果环境温度或仪器温度与试样温度之差小于25 ℃时，试样移出至打断时间应小于10 s。其中GB/T 229-2007还特别注明了试样从高温或低温装置中移出至打断时间为3～5 s时的温度补偿。

5 冲击试验结果处理及报告

5.1 数值修约

GB/T 229-2007中规定,冲击吸收能量应至少估读到0.5 J或0.5个标度单位(取两者之间较小值)，试验结果至少保留两位有效数字，EN ISO 148-1：2016和ASTM E23-18对数值修约没有明确规定。

5.2 试样未完全断开的处理

试样未完全断开时，GB/T 229-2007和ASTM E23-18两个标准对试验结果的报告情况基本相似，其中ASTM E23-18中对小于试验机能力80%的未断开试样，如果报告未列出各个试验值，则应报告未断开试样的百分比数及平均值，但是EN ISO 148-1：2016对未完全断开的试样未作明确规定。对于未断开的试样，3个标准给出的规定基本相似。3个标准对试样未完全断裂及未断开的报告描述具体见表4。

表4 3个标准的冲击试验结果及报告要求Tab.4 Impact test results and reporting requirements of the three standards

随着国内外金属材料生产工艺的不断提升，材料的冲击韧性越来越好，冲击试验后试样大多数没有完全断裂为两半，而材料验收试验是用以评估最低验收要求的试验，因此EN ISO 148-1：2016对未完全断裂的试样未作相关规定，此要求操作方便更符合一般的生产制造性企业的检测试验需求。

5.3 冲击吸收能量的表示

由表4可知，ASTM E23-18没有冲击吸收能量的表示符号，而GB/T 229-2007和EN ISO 148-1：2016冲击吸收能量均表示为KV2,KV8,KU2,KU8等4种符号，其中下标V和U分别表示缺口类型，下标2和8表示锤刃半径，如KV2表示V型缺口试样在2 mm锤刃下的冲击吸收能量。

6 结束语

笔者对中国、欧洲和美国冲击试验方法标准中关于冲击试验原理、试样尺寸、试验设备、试验程序及试验结果等方面进行了比较，并对标准中的一些规定进行了讨论。因国标(GB)和欧标(EN)冲击试验标准均源自于ISO 148-1，只是源自ISO 148-1的年号不同，所以GB和EN冲击试验标准基本相同。美标(ASTM)冲击试验标准相比GB和EN，在试样尺寸及设备尺寸公差方面要求更为严格，相关的试验规定也更加详细。因此，试验人员在采用这3个标准时，应特别注意这3个标准的不同之处。