摘 要:介紹了用于定性判斷沖擊試驗機失準類型的觀察擠壓痕法.該方法可以在沖擊試驗機 失準時,定性判斷出多種失準的類型,如砧座過度磨損、砧座不均勻磨損、砧座表面粗糙度超差、砧 座有缺口、擺桿彎曲、試樣不對中和沖擊刃不對中等.該方法容易掌握、操作簡便、實用性強,可用 于沖擊試驗機的日常檢查,并可作為實驗室的日常質量控制手段之一加以推廣應用. 

關鍵詞:沖擊試驗機;失準;擠壓痕;日常檢查;質量控制 

中圖分類號:TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７５５Ｇ０４

夏比擺錘沖擊試驗方法是金屬材料力學性能測 試的基本方法之一,是評價在沖擊載荷作用下金屬 材料韌性的重要手段.采用夏比擺錘沖擊試驗方法 得到的試驗數據相對分散,和拉伸、硬度等靜態(tài)力學 試驗相比,試驗結果的穩(wěn)定性和重復性也較差.加 上試驗過程中存在材料本身的不均勻性、試樣之間 加工尺寸的差異性和試驗操作的不一致性等問題, 根據相關材料規(guī)范要求,在采用夏比擺錘沖擊試驗 進行其沖擊性能測試時需取３個或以上的試樣進行 平行試驗. 

夏比擺錘沖擊試驗中所用的沖擊試驗機在工作 過程中會頻繁受到來自試樣的反作用力,機身框架 會產生劇烈的振動.和拉伸試驗機、硬度計等靜態(tài) 試驗設備相比,沖擊試驗機的關鍵部件在較短時間 內容易出現磨損、松動、變形等問題,這些都會對試 驗機的準確性和穩(wěn)定性造成影響,導致試驗機可能 會在下一個校準周期到來前就提前失準,因此有必 要加強對沖擊試驗機的維護保養(yǎng),對其進行有效的 日常檢驗和期間核查[１].筆者介紹了用于定性判斷 沖擊試驗機失準類型的觀察擠壓痕法,該方法容易 掌握,操作簡便且實用性強.

１ 操作原理 

’擠壓痕是沖擊試樣在通過試驗機砧座時其側面 受砧座擠壓變形而留下的痕跡.擠壓痕能反映試驗 過程中試樣與砧座的相對位置關系.不同能量級別 的試樣,在試驗機出現不同的失準狀態(tài)時,其擠壓痕 會呈現不同的外觀形貌.通過觀察試樣上擠壓痕的 寬窄、深淺、形狀和位置,可以快速直觀地判斷沖擊 試驗機存在的問題. 

通常檢測實驗室不具備內部校準的能力,和需 要借助尺寸測量工具對沖擊試驗機進行的直接檢驗 法以及利用標準試樣進行的間接檢驗法相比,觀察 試樣擠壓痕的方法不需要具備專業(yè)檢定校準知識或 資質的人員,也不需要借助任何外界輔助裝置或額 外試樣,僅需具備一定經驗的試驗操作人員觀察測 試后留存的試樣即可完成對潛在問題的排查,相對 容易掌握,操作也可隨時隨地進行,因此該方法適合 作為沖擊試驗機的日常檢查方法. 

２ 沖擊試驗機的失準類型 

２．１ 砧座過度磨損 

沖擊試驗機的主要磨損通常發(fā)生在砧座[２].沖 擊試驗機使用一段時間后,為檢查砧座的磨損程度 是否在標準允許的范圍內,必須將其從沖擊試驗機 上拆下,經尺寸檢驗合格后,方可重新安裝使用.該 檢驗方法雖然可靠,但整套流程較繁瑣,砧座的拆卸 安裝較困難,且并不是所有試驗人員都具備獨立測 量砧座外形尺寸的能力,因此該方法不適合用于實 驗室的日常檢查. 

針對上述情況,可以通過檢查試樣(特別是高能 量試樣)折斷時側面留下的擠壓痕來快速評估砧座 的磨損情況.由圖１可見,當砧座符合標準規(guī)定的 尺寸公差要求時,會在兩截折斷的試樣上分別形成 一個窄而深的痕跡;當砧座過度磨損時,會在兩截試 樣上各留下一個寬而淺的痕跡.對于高能量試樣, 這種痕跡的變化更明顯且易于觀察.磨損的砧座必 須更換,這是因為和未磨損的砧座相比,砧座磨損意 味著試驗跨距變大,試樣通過磨損的砧座時所需的 能量比通過未磨損的砧座時所需的能量要小,試驗 結果會低于正常值[３Ｇ４].對于高能量試樣,這種能量 偏低的現象會更顯著.

可以選用成分、力學性能和硬度都相同的同批次材料預制一批高能量試樣,在沖擊試驗機檢定合 格后用新的符合尺寸公差要求的砧座測試其中的若 干件并保留,作為日后觀察擠壓痕寬窄和深淺的“標 準試樣”.在沖擊試驗機使用一段時間后,再用此砧 座測試剩下的預制試樣中的若干件,將這些試樣與 前期保留的“標準試樣”進行比較,由兩者擠壓痕的 差異來評估現有砧座的磨損情況.對于吸收能量相 近的試樣,擠壓痕會隨著砧座磨損程度的加深而變 得更寬、更光滑.實驗室可根據沖擊試驗機的使用 頻率制定相應的比對周期. 

２．２ 砧座不均勻磨損

圖２是頻繁檢測小尺寸試樣導致砧座的豎直方 向磨損不均勻而形成的擠壓痕示意圖.隨著試樣能 量的增加,擠壓痕在砧座磨損嚴重一側的寬窄變化 更明顯且易于觀察.在這種砧座狀態(tài)下有３個問題 需要注意:

(１)對于標準尺寸試樣,這種磨損存在于較小 的接觸面積內,通常不會影響試樣斷裂所需要的能 量,因此也就無法在沖擊試驗機的間接檢驗中,通過 測試標準試樣的能量來評估磨損情況. 

(２)這種磨損可能導致砧座的公差超出標準的 要求,也就意味著該沖擊試驗機不符合標準中直接 檢驗的要求,但也不具備間接檢驗的資格,此時采用 觀察試樣擠壓痕的方法就很必要. 

(３)當小尺寸試樣在砧座磨損嚴重的區(qū)域進行 試驗時,其測試結果要低于正常值,此時應及時更換 砧座. 

２．３ 砧座表面粗糙度超差

在某些測試條件下,特別是高溫測試,會加速砧 座的磨損,增加砧座圓角處的表面粗糙度,從而產生 過大的摩擦力,形成如圖３所示的擠壓痕.和表面粗 糙度正常的砧座相比,表面粗糙度超差的砧座形成的 擠壓痕更寬,邊緣粗糙不齊且有一條凸起.這樣的砧座會增加試樣斷裂所需的能量,測得的試驗結果會高 于正常值(尤其是高能量試樣),此時必須更換砧座.

２．４ 砧座有缺口 

砧座上積存的鐵屑會使其在使用過程中產生崩 損的缺口.有缺口的砧座均能通過觀察低、中、高能 量試樣的擠壓痕來發(fā)現,如圖４所示,隨著試樣能量 的增加,在鉆座缺口處的不規(guī)則擠壓痕會變得更寬 更深,更易于觀察.砧座的缺口會對試樣吸收能量 產生影響.由于砧座表面不光滑,缺口會增大試樣通 過砧座時的摩擦,從而增加試樣斷裂所需的能量,得 到的試驗結果會高于正常值.低能量試樣受到缺口 的影響較小,因為其硬度最高,斷裂形式為脆性斷裂, 試樣與砧座的摩擦較小;缺口對于韌性較好的中、高 能量試樣影響較大.應及時更換有缺口的砧座.

２．５ 擺桿彎曲 

沖擊試驗機在使用過程中其擺桿會受到來自試 樣的反作用力,長期受力會使擺桿產生微小彎曲. 正常擺桿和彎曲的擺桿與試樣接觸時的位置示意如 圖５所示.彎曲的擺桿會先接觸到試樣朝上放置的 一側,這導致試樣過度扭曲,試樣朝上放置的一側擠 壓痕會更深,見圖６.這種扭曲還會導致試樣在斷 裂后與擺桿發(fā)生相互碰撞,并造成額外的能量損失, 因此測得的試驗結果會高于正常值[５].應及時更換 彎曲的擺桿. 

２．６ 試樣不對中 

試樣不對中是指試樣缺口的對稱面不處于兩砧座跨距的正中間,此時沖擊刃的打擊點會偏向試樣 缺口對稱面的一側.試樣不對中的問題可通過觀察 低能量試樣的擠壓痕來發(fā)現.當試樣對中時,試樣 缺口邊緣至兩截折斷試樣側面擠壓痕的距離相等; 如果發(fā)現距離不相等,那么可以判斷為試樣在擺放 過程中出現了不對中.

由圖７可見,當試樣對中時,低能量試樣的斷口 平整,兩截試樣均勻等長;當試樣不對中時,由于沖 擊刃的打擊位置并不位于缺口根部的正后方,這導 致試樣受沖擊后裂紋的擴展方向發(fā)生偏移,測試后 的試樣斷口存在一個斜角,沖擊刃偏向一側的一截 試樣要比另一側的一截試樣短.沖擊位置越偏離缺口對稱面,斷口的斜角越大,兩截試樣的長短差異也 越大.試樣不對中會增加試樣斷裂所需的能量,測 得的試驗結果會高于正常值[６].

實際上,試樣不對中不完全屬于沖擊試驗機自 身失準的情況.對于配備了自動送樣裝置的試驗 機,可能是由于試樣自動定位裝置出現磨損或偏離 對中;對于采用人工送樣方式的試驗機,其最常見的 原因是使用了磨損的試樣對中夾鉗或是試驗人員操 作過程不仔細造成的.此外,使用在試驗溫度下過 于粘稠的冷卻介質使試樣在支座上漂浮滑動也會導 致試樣不對中,這種情況在使用自動送樣裝置和人 工對中夾鉗時都有可能出現.建議將體積分數為 ９５％的工業(yè)乙醇作為低溫沖擊試驗的冷卻介質,因 其具有較低的凝固點(－１１４ ℃)和較強的揮發(fā)性, 能從試樣底部迅速揮發(fā),有效防止試樣滑動.

２．７ 沖擊刃不對中 

沖擊刃不 對 中 與 試 樣 不 對 中 的 情 況 不 同,因 為缺口對稱 面 處 于 兩 砧 座 跨 距 的 正 中 間,因 此 試 樣缺口邊緣至兩截折斷試樣側面擠壓痕的距離相 等.但是沖擊刃的打擊位置不是位于缺口根部的 正后方,這導致裂紋的擴展方向發(fā)生偏移,試樣斷 口出現斜角,兩截折斷的試樣呈現長短差異.圖８ 是沖擊刃不對中時斷裂試樣的擠壓痕示意圖.不 對中的沖擊刃通常是擺錘軸偏離了中心位置所引 起,而這種偏 離 推 測 是 沖 擊 試 驗 機 在 長 期 使 用 的 過程中,試驗 機 框 架 和 擺 桿 的 機 械 振 動 造 成 了 擺 錘軸上的對中環(huán)或軸承塊出現松動所導致.沖擊 刃不對中也 會 增 加 試 樣 斷 裂 所 需 的 能 量,測 得 的 試驗結果會高于正常值.

３ 結語 

觀察試樣擠壓痕來判斷沖擊試驗機失準類型的 方法簡便實用,通過觀察沖斷試樣的擠壓痕能夠快 速判斷沖擊試驗機可能存在的問題,為試驗機失準 類 型的判斷、試驗機的調整和后續(xù)的再校準提供依據.該方法容易掌握、操作簡便、實用性強,可用于 沖擊試驗機的日常檢查,并作為實驗室的日常質量 控制手段之一加以推廣應用.

參考文獻: 

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[４] 胡學斌,林聚鈺．擺錘式沖擊試驗機試樣砧座的幾何 特性對測量結果的影響[J]．中國計量,２０１３,１９(８): １１４Ｇ１１５． 

[５] 嚴峻．沖擊能力驗證中可疑數據的分析[J]．理化檢驗 (物理分冊),２００５,４１(８):３９４Ｇ３９６．

[６] 楊震,郭勇,王偉,等．一種用于沖擊試驗缺口試樣對 中的定位 工 裝 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),２０１６,５２ (４):２５１Ｇ２５６． 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 11期 (pp:755-758)>