摘 要:冲击试验是在高速冲击载荷下完成的,试样和冲击刀刃都会产生一个很高的内应力。 试样一般会有预开缺口,冲击能量一部分沿着缺口方向被试样吸收,还有一部分被冲击刀刃吸收。 当冲击刀刃吸收的能量超过弹性变形时,刀刃会出现塑形变形,甚至断裂。通过对冲击试样、冲击 刀刃、冲击试验机的选择以及试验过程等方面进行研究,查明了冲击刀刃断裂的原因,并提出了合 适的控制方法。

关键词:冲击刀刃;冲击试验机;内应力;断裂

中图分类号:TB30;TG115.5+6 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)03-0008-03

冲击性能是指材料抵抗冲击载荷的能力,在材 料力学性能的研究中具有重要意义。冲击试验机是 用来测试材料冲击韧性的设备,由机座、机架、摆锤、 冲击刀刃、操作机构和读数装置等6个部分组成,根 据需要还可增加一些辅助设备,如高低温装置、试样 自动对中装置等。目前,许多机械结构的设计都向 着轻量化方向发展,这就要求材料具有较高的强度 和硬度,以及良好的塑形和韧性,该类型的材料进行 冲击试验时,会对冲击试验机造成一定的损坏,尤其 会使冲击刀刃的使用寿命大大缩短,甚至出现冲击 刀刃断裂的现象,典型断裂冲击刀刃的宏观形貌如 图1所示。笔者对冲击试样、冲击刀刃、冲击试验机 的选择以及试验过程等方面进行了研究,查明了冲 击刀刃断裂的原因,提出了合适的控制方法,以避免 该类问题再次发生。

1 冲击试样的选择

1.1 试样尺寸

按照GB/T229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》的要求,对冲击试样进行加工,冲击试 样的尺寸如图2所示。标准中规定了2.5,5,7.5, 10mm的4种不同厚度的冲击试样[1],随着厚度的 增加,试样的冲击吸收能量不断变大。一般试样都 有加工缺口,当缺口底部过渡圆弧的半径过大、开口 角度偏大、缺口深度较小时,会引起试样的冲击吸收 能量明显变大,导致试样的冲击韧性提高,进而对冲 击刀刃造成损坏。

1.2 试样缺口形式

一般规定了 V形、U 形和无缺口等3种缺口形 式的冲击试样。冲击试样的缺口形式对冲击韧性的 测试结果影响非常大,夏比V形缺口比夏比U形缺 口底部过渡圆弧半径更为尖锐,更能反映材料缺口 和内部缺陷对动态载荷的敏感性。对于 U 形缺口 试样,进行冲击试验时,其冲击吸收能量大部分消耗 于裂纹的形成阶段,而对于 V 形缺口试样,其冲击 吸收能量大部分消耗于裂纹的扩展阶段,无缺口试 样试验时无法造成应力集中,所获得的冲击吸收能 量要远大于有缺口试样[2]。因此在试验前要认真选 择试样的缺口形式,以避免试验时冲击吸收能量过 大造成刀刃的损坏。

1.3 试样缺口检验

在进行 V 形、U 形缺口试样的冲击试验时,要 求 V形缺口试样缺口的深度为2mm,呈45°角,缺 口底部过渡圆弧半径为(0.25±0.025)mm;U 形缺 口试样缺口的深度为2mm 或5mm,缺口底部过 渡圆弧半径为(1±0.07)mm。试样缺口的加工质 量不合格会导致冲击试验的结果不可信,并引起试 验结果的陡跳。缺口加工质量检验是保证试样缺口 尺寸合格的重要质量控制手段。在进行冲击试验之 前,需要对缺口进行加工质量检验,以避免试验期间 发生冲击吸收能量的陡跳,损坏刀刃。

2 冲击刀刃的选择

2.1 加工冲击刀刃的材料

加工室温冲击刀刃的材料应具有高的硬度、强 度,良好的耐磨性、淬透性、淬硬性、组织性能均匀性等,以及足够的韧性。冷作模具钢一般属于高碳合 金钢,其碳元素质量分数大于0.80%,最高可达 2.0%~2.3%,铬元素是这类材料的重要合金元素, 其质量分数通常不大于5%,为了提高材料的耐磨 性和淬火后变形小的特性,铬元素的质量分数最高 可达13%。冷作模具钢中形成了大量的碳化物,其 组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢,因此冷作磨 具钢是加工室温冲击刀刃材料的首选。

加工高温冲击刀刃的材料应具有较高的高温强 度,良好的热疲劳稳定性、导热性、耐腐蚀性、淬透性 等。热作模具钢属于中碳合金钢,碳元素的质量分 数为0.30%~0.60%,属于亚共析钢,钢中因加入了 较多的合金元素(如钨、钼、钒元素等)而成为共析或 过共析钢,因此热作磨具钢是加工高温冲击刀刃材 料的首选。

2.2 冲击刀刃的设计及加工

冲击刀刃在结构设计时应该避免出现尖角、棱角 等造成应力集中的受力点,以防止在高速动态载荷下 损坏刀刃,典型的冲击刀刃设计结构如图3所示。

在进行机加工前,需要对加工材料进行全面的 无损检测,以防止产生细小裂纹等缺陷。缺陷会在 多次试验过程中成为疲劳裂纹源,缩短刀刃的使用 寿命。冲击刀刃的机加工过程为:粗加工阶段切除 加工表面上的绝大部分余量,在毛胚上加工出接近 冲击刀刃的尺寸和形状;半径加工阶段为精加工做 铺垫,在粗加工后的刀刃上去除留下的误差和缺陷, 获得较好的精度,并完成一些非主要位置的加工;精 加工阶段切除加工表面上的微量材料,控制加工表 面的加工质量。该过程即保证了冲击刀刃的加工精 度,又避免了因加工缺陷而引起的冲击刀刃断裂 问题。

2.3 冲击刀刃半径的选择

冲击刀刃半径有8mm 和2mm 两种,一般情 况下采用8mm摆锤刀刃半径测得的冲击吸收能量 要高于采用2mm 摆锤刀刃半径测得的,两种冲击刀刃半径测得的侧膨胀值、剪切断面率以及韧脆转 变温度也都有所不同。因此在进行冲击试验前要选 择合适的刀刃半径,以防止因刀刃半径选择不当而 对刀刃造成损坏[3]。

3 冲击试验机的选择

3.1 试验方法

简支梁冲击试验机是将试样水平放置且不固定 试样两端。该试验机释放摆锤后,从中间对试样施 加冲击弯曲负荷并使试样破裂。该试验机可用于生 产过程中的质量控制,也可用于比较不同材料的冲 击韧性[4]。

悬臂梁冲击试验机是将试样垂直放置且夹住一 端,另一端接受摆锤释放的能量,试样因受到打击而 产生破坏。该试验机可测定材料被摆锤冲击时的抗 冲击性能,可用于快速确定材料是否符合所需冲击 强度的要求,也可用于比较材料的冲击韧性。

简支梁冲击试验机和悬臂梁冲击试验机对试样 的作用力不同[5],试验前要根据试验方法选择合适 的试验机,避免因方法选择不当而对冲击刀刃造成 损坏。

3.2 试验机量程

试验前要对试样的冲击性能有一定的了解,选 择合适量程的冲击试验机[6],一般要求试样的冲击 吸收能量不超过试验机量程的80%,以避免对冲击 刀刃造成损坏。当无法估计试样的冲击吸收能量 时,要选择大量程试验机,或先将试样加工得较薄一 些,完成初步的冲击试验。

4 试验过程

4.1 试样放置

试样缺口面应该与砧座面紧密贴合,冲击刀刃 沿着缺口对面向缺口背面打击,试样缺口对称面偏 离两砧座间的中点距离应不大于0.5mm,否则摆锤 高速打击试样时会产生缓冲,造成冲击试验结果失 真,试样与砧座距离和冲击吸收能量的关系如表1 所示。

试样缺口中心需与冲击刀刃中心重合,否则缺 口处裂纹的形成及扩展会变得困难,造成冲击试验 结果失真[7],试样缺口中心偏离距离和冲击吸收能 量的关系如表2所示。

以上两种情况都会造成冲击试验的测试值大于真 实值,较大的测试值会对冲击刀刃造成较大的危害,甚至造成刀刃断裂。因此在手动放置试样时要对中放好 试样,在自动送样时要经常检查自动对中装置的有效 性,以避免冲击刀刃在试验过程中发生断裂[8]。

4.2 刀刃固定

冲击刀刃是由固定螺栓和摆锤连接在一起的, 快速载荷的冲击会对紧固螺栓施加一定的力,并造 成螺栓松动,冲击刀刃受力不均匀,导致发生断裂。 因此进行冲击试验前,要对冲击刀刃的紧固性进行 检查,以避免螺栓出现松动。

5 结论

(1)试样缺口的形式、高度、宽度和加工精度等 对试样的冲击吸收能量影响很大,在进行试验前要 严格控制试样的质量,以防止因试样不合格而对冲 击刀刃造成损坏。

(2)冲击刀刃合适的材料、合理的受力设计、多 道次的精密加工是决定刀刃使用寿命的关键因素。

(3)根据试验方法和试样冲击性能合理选择试 验机,不合适的试验机类型、量程都会对冲击刀刃造 成损坏。

(4)试验过程中要特别注意试样对中、刀刃紧 固等问题,以避免冲击刀刃发生断裂。

参考文献:

[1] 陈武,石金钢,王春华.标准冲击试样的应用[J].物理 测试,2010,28(1):56-58.

[2] 马辉,刘志超,朱锦波,等.摆锤刀刃半径对冲击试验 结果的影响[J].检验检疫学刊,2018,28(4):13-18.

[3] 叶世亮,谢晓宇,薛小丽.摆锤刀刃半径对冲击试验结 果的影响[J].理化检验(物理分册),2019,55(3): 159-164.

[4] 张海峰.国家标准《摆锤式冲击试验机》简介[J].试验 机与材料试验,1984,24(2):60-63.

[5] 黄旭东,郑程,陆慧.一种用于定性判断冲击试验机失 准类型的方法[J].理化检验(物理分册),2019,55 (11):755-758.

[6] 常德功,田成成,周烨,等.冲击试验机摆杆结构设计 分析与优化[J].机械与电子,2016,34(1):20-23.

[7] 庄佳俊,宋寒,王红云.冲击试验过程中对试验结果产 生影响的因素分析[J].现代测量与实验室管理, 2011,19(4):27-29.

[8] 刘学政,普晓明,敬仕煜,等.夏比 V型冲击试验的尺 寸效应及工程应用[J].理化检验(物理分册),2020, 56(5):1-5.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 3期 (pp:8-10)>