李卫军+李庆+魏磊

摘要：本文主要针对日本的JIS标准、美国的ASTM标准和中国的GB标准中的冲击试验方法进行比较，列举了它们之间的差异。并结合国标GB/T229冲击试验方法对40CrNiMoA和TC4等两种材料进行了试验研究。结果表明：依据国标GB/T229的方法确定了40CrNiMoA韌脆转变温度为-20℃；而钛合金TC4所得出的试验数据存在着波动，主要和试样的尺寸差异以及表面光洁度有关，其试验结果都符合生产用要求。

Abstract： This paper mainly compares the impact test methods of the Japanese JIS standard， the American ASTM standard and the Chinese GB standard， and lists the differences between them. Combined with GB/T229 impact test methods， two kinds of materials， 40CrNiMoA and TC4 were studied. The results show that the ductile-brittle transition temperature of 40CrNiMoA is -20℃ according to GB/T229 method. However， the experimental data of titanium alloy TC4 are fluctuating， which are mainly related to the size difference of the sample and the surface finish. The test results all meet the production requirements.

关键词：夏比冲击试验；试验方法；试验标准

Key words： Charpy impact test；test methods；test standard

中图分类号：TG115.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0121-04

0 引言

夏比（Charpy）冲击试验是评价冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力的试验方法。它是一种传统力学性能试验方法，用于评价金属材料冲击韧性，其特点是试验时间短，试样加工简便，试验数据对冶金缺陷、材料组织结构等敏感，具有广泛的应用空间。该方法在材料生产、加工工艺及机器零部件的检验上积累了许多经验，并将其成功地应用在以下方面[1]：①检验材料质量；②提供判断依据；③评定材料缺口敏感性和时效敏感性；④建立经验公式。

1 夏比冲击试验概述

1.1 夏比试验标准的基本构成

关于夏比冲击试验标准各个国家之间存在一定差异，本文重点分析了美国的ASTM标准、日本的JIS标准和中国的GB，其基本构成简述如下：

美国的钢产品冲击试验标准的组成部分包括ASTM E23-06、ASTM A673/673M-07和ASTM A370-07[4-6]。其中E23-06包括冲击试验机的检定规程、冲击试验方法；A370-07的冲击试验部分包括冲击试样的部分取样位置要求、冲击试验机的检定要求和钢产品的冲击试验方法；而A673/673M-07规定钢产品的冲击试样取样位置要求和试验频率。通常ASTM标准均有公制单位版本和英制单位版本，标准号后的M表示公制单位版本。

日本的钢产品冲击试验标准的组成部分包括JIS B 7722和JIS Z2242-2005，分别规定了日本的试验方法和钢产品冲击取样[2，3]。

中国的钢产品冲击试验标准组成部分包括GB/ T2975-1998、GB/T229-2007和JJ G145-2007。其中，GB/ T2975-1998规定了冲击试样的取样位置[8]，GB/T229-2007是冲击试验方法[7]，JJ G145-2007是冲击试验机的检定规程。在中国航空工业标准HB5144-96中对于航空用金属材料的夏比冲击试验也做了相应的行业规定，其试验标准是由GB3808、GB8170和JJG 145组成。

1.2 夏比冲击试验标准的主要差异

1.2.1 冲击试验机摆锤

摆锤是夏比（Charpy）冲击试验中最重要的试验元件构成之一。摆锤曲率半径的不同，对于同一材料的冲击吸收能量Ak值会有影响。图1是摆锤曲率半径分别为2mm和8mm刀刃示意图[9]。图中，12D为8mm冲击刃宽度，（4±0.05）mm；12C为8mm冲击刃肩角部曲率半径，（0.1～1）mm；12B为8mm冲击刃曲率半径，（8±0.05）mm；12A为2mm冲击刃曲率半径，（2～2.5）mm；a为冲击刀刃角，30°±1°。虽然国标GB和日本JIS系标准的冲击试验标准可以使用上述两种摆锤，一般情况下，ASTM的冲击试验标准只允许使用曲率半径为8mm的摆锤；冲击试验规定使用曲率半径为2mm的摆锤。通常使用2mm曲率半径得到的冲击吸收功要低于使用8mm曲率半径的摆锤。

1.2.2 冲击试验机能力范围

国标GB/T229-2007对于冲击试验机能力的下限做出规定，建议应不低于试验机最小分辨力的25倍[7]，而ASTM E23-06规定为试验机在15J时分辨力的25倍。对于冲击试验机的能力的上限，美标ASTM E23-06和日本的JIS系标准均规定为试验机摆锤能量的80%。一旦冲击吸收功超过其能力范围（即摆锤能量的80%），其摆锤速度会受到很大的不利影响，无法获取准确的冲击吸收功[4]。

1.2.3 试样加热/冷却装置endprint

日本JIS系标准规定：使用液体介质加热或者冷却试样时，试样应放置于一容器中的网栅上，网栅至少高于底部25mm，液体浸过试样的高度至少25mm，试样距容器侧壁至少10mm。应连续均匀搅拌介质以使温度均匀。测定介质温度的仪器应当置于一组试样中间处。介质温度应在规定温度±1℃以内，保持至少5min。对于不超过200℃的高温试验测试，试样应该浸沒在恒温液体介质中至少10min，保持确定的温度在±2℃以内。对于使用气体介质，JIS Z2242-2005规定试样距离容器内壁至少50mm，试样之间距离至少10mm，但GB/T229-2007对此没有特殊规定。

美国ASTM E23-06规定：使用液体介质时，介质温度应在规定温度±1℃以内，试样距离容器底部或侧壁大于25mm，介质浸过试样的高度至少25mm；保持至少5min。使用气体介质，介质温度应在规定温度±1℃以内，保持至少30min。

1.2.4 冲击试样的尺寸和表面粗糙度

表1和表2列举出了国标GB/T229-2007、美标ASTM E23-06和日本JIS Z2242的试样的尺寸和偏差。分析表1和表2可知，就允许偏差来说，在ISO系标准中，GB/T229-2007的要求低于JIS Z2242-2005。对于试样尺寸的允许偏差，ASTM E23-06大部分规定都和ISO系标准相当或更严格，只有一个试样长度规定较为宽松。对于缺口深度的公差范围，ISO系标准通过分别规定试样高度和缺口底部高度的公差范围来确定，但ASTM E23-06是直接规定。

而对于试样的表面粗糙度来说，ISO系标准的GB/ T229-2007和JIS Z2242-2005的规定分别是：除端面以外的4个面分别优于5μm和3.2μm；而ASTM E23206的规定是：开缺口面及与其相对面优于2μm，除端面外的其余两个面优于4μm。

但是作为航标HB5144-96来说相应的试样尺寸也有差异，如表3所示。其中缺口底部最大最小厚度差不应该超过0.05mm。对于超高强度钢，缺口表面粗糙度Ra值的最大允许值为0.32μm。

1.2.5 试验温度

ASTM E23-06和ISO系标准在适用温度范围方面存在一定区别，ASTM E23-06适用于的冲击试验要求温度超过或等于-196℃；而GB/T229-2007适用于的冲击试验要求温度在-192～1000℃之间。在常温冲击试验的试验温度范围方面，两者的规定也略有不同，ASTM E23-06是20 ±5℃，而ISO系标准是23±5℃。在低温冲击试验的试验温度允许偏差方面，ASTM E23-06是±1℃，而ISO系标准是规定温度的±2℃。但两者在一些方面也存在相同的部分，比如对于不在常温进行的冲击试验，两者都要求试样在移出加热/冷却装置的5s内完成，且要求同时加热/冷却试样和试样夹持装置。

2 应用研究

2.1 调制钢40CrNiMoA的典型断口分析

调质钢40CrNiMoA是用于航空发动机轴的材料。作为高强度零件材料，在小于500℃工作温度下，可以作为喷气发动机承力零件。将热处理后的材料制成夏比冲击试样，其典型的断口形貌如图2所示。

由图2可以看出，随着试验温度的下降，试样断口形貌中韧性断裂逐渐向脆性断裂转变。即断裂面中韧性断裂面积和脆性断裂面积的百分比在逐渐改变。通过计算韧脆断裂面积百分比可以确定该试样的韧脆转变温度。本试验中得出40CrNiMoA的韧脆转变温度为-20℃。以图2中B图为例，可以看出标有a部分为放射区，标有b部分为剪切唇，标有c部分为缺口纤维组织，其具体放大图片如图3所示。

图3中a为放射区的形貌，主要是韧窝和解理断裂面；b为剪切唇放大形貌，c为缺口处的纤维断口形貌。

2.2 TC4夏比冲击试验数据分析

TC4为（α+β）型钛合金，在航空航天和非航空航天工业中均获得广泛应用，可用于制造航空发动机压气机盘和叶片、火箭发动机的外壳及冷却喷管。飞行器用特种压力容器和工作在400℃以下的零部件以及化工用泵、船舶部件、蒸汽轮机等。

根据国标GB/T229冲击试验方法，在室温下对退火态的钛合金TC4进行冲击试验。试验所得的冲击吸收功Ak值满足生产所需技术标准Q/S10-0705-04的要求（冲击功大于等于32J）。如图4所示试验数据变化趋势。

从图4所示试验数据的趋势变化可以看出，TC4冲击试验值基本上是大于或等于32J的，则认为其在冲击这方面的力学性能是合格，但是，能否作为合格的材料使用还需要进行其它的力学性能试验测试才可以知晓。图中的深色直线为本次试验中的趋势线性方程。在满足生产需要的同时，试验数据却存在着波动。在材料成分，炉批批次相同的情况下，试验数据的波动只可能与机加工、试验过程中的读数或操作有关。机加工过程是对原材料进行取样机加的过程。该过程中对试样的尺寸和表面光洁度有很高的要求。如果试样表面存在加工缺陷，则会直接影响试验数据的准确性。在实际生产中，只要求材料的力学性能达到工程标准的要求即可。

3 结论

综上所述，对于中国GB/T229-2007，日本JIS Z2242和美国ASTM E23-06的冲击试验方法进行了比较。由比较可知，由于均源自ISO148，JIS Z2242-2005和GB/T229-2007对冲击试验机、冲击试样和冲击试验程序的要求基本相似，只是JIS Z2242-2005对冲击试样部分尺寸的允许偏差较小。通过分析调制钢40CrNiMoA在不同温度下冲击断口形貌和冲击值的变化，确定了其韧脆转折温度为-20℃。以及在常温下对钛合金TC4的冲击试验，分析了其冲击吸收功的波动，表明试样满足生产要求，波动主要是受试样的加工和试验操作等因素影响。

参考文献：

[1]桂立丰.机械工程材料测试手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2001.

[2]JIS Z22422 2005， Method for Charpy Pendulum Impact Test of Metallic Materials[S].

[3]JIS B7722， Metallic Materials-Charpy Pendulum Impact Test Part 2： Verification of Test Machines[S].

[4]ASTM E23-06， Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials[S].

[5]ASTM A370-07， Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Product s[S].

[6]ASTM A673/A673M-07， Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel[S].

[7]GB/T229-2007，金属材料夏比摆锤冲击试验方法[S].

[8]GB/T2975-1998，钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备[S].

[9]JJ G145-2007，摆锤式冲击试验机检定规程[S].endprint