夏比v型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化方法的研究

夏比v型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化方法的研究

1沖擊功的物理意義表達(dá)在材料生產(chǎn)、加工技術(shù)和機(jī)械零件的檢驗(yàn)方面，一般壓力試驗(yàn)中測(cè)得的壓力功能定位了。它已成功應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。a.沖擊功對(duì)材料的宏觀缺陷、顯微組織的差異等非常敏感,長(zhǎng)期以來(lái)有效地用來(lái)檢定鋼材質(zhì)量和判斷冶金、加工和熱處理規(guī)程的適宜性,籍以控制和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。b.由于沖擊功對(duì)鋼材隨溫度變化產(chǎn)生的韌脆轉(zhuǎn)變敏感,因此用來(lái)測(cè)定鋼材韌脆轉(zhuǎn)變趨勢(shì)及轉(zhuǎn)變溫度。為防止金屬構(gòu)件的冷脆、藍(lán)脆及重結(jié)晶脆性,大致估算構(gòu)建容許工作溫度,可提供一種經(jīng)驗(yàn)性判據(jù)。c.沖擊試驗(yàn)對(duì)缺口非常敏感,因此用來(lái)評(píng)定金屬對(duì)大能量一次載荷的缺口敏感性。d.多年來(lái)常用沖擊試驗(yàn)測(cè)定鋼材時(shí)效前后的沖擊功,確定鋼材的時(shí)效敏感性。e.由于沖擊試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)便,試樣加工容易,試驗(yàn)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),因此在與其它試驗(yàn)方法的配合上也引起了人們的重視。例如,斷裂韌性與沖擊功的關(guān)系上,建立了一些經(jīng)驗(yàn)公式?？梢?jiàn),沖擊試驗(yàn)直接和間接地應(yīng)用于材質(zhì)的檢測(cè)是多方面的。但是,由于測(cè)出的沖擊功性能單一,而且缺乏準(zhǔn)確的物理意義(這一點(diǎn)后面還會(huì)提到),不能作為金屬構(gòu)件表征實(shí)際抵抗沖擊能力的判據(jù),只能相對(duì)近似地表征金屬抵抗已發(fā)生斷裂的再擴(kuò)展能力。又何況沖擊功,除了消耗在試樣斷裂的功之外,還包括軸的摩擦、機(jī)座振動(dòng)、空氣阻力以及試樣拋出等功在內(nèi)。以上討論指出沖擊試驗(yàn)方法存在的問(wèn)題,它妨礙了沖擊試驗(yàn)的廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。為此,科學(xué)工作者在20世紀(jì)50年代開(kāi)始利用“示波沖擊方法”測(cè)定沖擊力-時(shí)間及沖擊力-位移曲線(xiàn),分解沖擊功,試圖從根本上解決沖擊功物理意義不準(zhǔn)確等問(wèn)題。盡管受到科學(xué)技術(shù)不夠先進(jìn)成熟的限制,所測(cè)結(jié)果不夠精確,但是利用信號(hào)放大、示波顯示和快速攝影方法,獲得了沖擊力-位移(撓度)曲線(xiàn),并且把沖擊功分解成兩個(gè)部分,見(jiàn)圖1。圖1中,曲線(xiàn)所包圍的面積,表示試樣沖斷時(shí)所吸收的總功AK;裂紋形成功AI,它主要消耗于試樣的彈性變形、塑性變形以及裂紋形成;裂紋擴(kuò)展功AP,它主要消耗于裂紋前沿微觀塑性變形及裂紋擴(kuò)展。對(duì)于不同金屬材料,即使總功AK相同,但由于上述兩部分功所占比例不同,材料的韌性也不相同。沖擊力-位移曲線(xiàn)可以反映出它們之間性能上的差異,見(jiàn)圖2。從圖2可以看出:a.曲線(xiàn)1上顯示彈性功所占的比例大,塑性變形功很小,裂紋擴(kuò)展功幾乎為零,說(shuō)明裂紋一旦形成,就立刻擴(kuò)展,直至斷裂,顯示出材料的脆性性質(zhì);b.曲線(xiàn)2彈性變形功比前者小,塑性變形功增加,裂紋擴(kuò)展功也有一定的增加,當(dāng)裂紋發(fā)展到一定尺寸后,產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展,表現(xiàn)出材料的半脆性;c.曲線(xiàn)3彈性變形功較小,塑性變形功進(jìn)一步增加,裂紋產(chǎn)生后,發(fā)生緩慢擴(kuò)展,直至斷裂也不產(chǎn)生失穩(wěn),充分顯示出材料的韌性性質(zhì)。由此可見(jiàn),用分解沖擊功的方法,把沖擊功物理意義表達(dá)得比較清楚。其中,塑性變形功,尤其是裂紋擴(kuò)展功的大小,才真正顯示出被測(cè)材料的韌脆性質(zhì)。2儀器化沖擊試驗(yàn)的特點(diǎn)從20世紀(jì)90年代起,已經(jīng)有了比較成熟和先進(jìn)的儀器化(數(shù)字化)沖擊試驗(yàn)機(jī)。這種試驗(yàn)機(jī)與普通沖擊試驗(yàn)機(jī)的最大區(qū)別,可用3個(gè)字表述:數(shù)字化。a.數(shù)字控制:普通沖擊機(jī)控制部分采用電磁繼電器,用模擬量進(jìn)行控制沖擊過(guò)程的沖擊抬擺和放擺;儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)采用數(shù)字控制這一過(guò)程。b.數(shù)字顯示:普通沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊功的顯示采用表盤(pán)指針?lè)绞?讀數(shù)精度較低;儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)采用數(shù)字顯示,可以同時(shí)顯示沖擊功、沖擊速度和抬擺高度,指示精度大大提高。c.數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是儀器化沖擊試驗(yàn)獨(dú)有的,普通沖擊機(jī)沒(méi)有這一部分裝置。通過(guò)力傳感器、位移傳感器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以此獲得沖擊力、位移和能量特征值。數(shù)字化(儀器化)沖擊試驗(yàn)機(jī)還可以把采集的信號(hào)繪制成沖擊力-時(shí)間、沖擊力-位移、位移-時(shí)間及能量-時(shí)間等曲線(xiàn),形象地給出被沖斷試樣的受力及變形過(guò)程。它把沖擊試驗(yàn)全面、徹底地向前推進(jìn)了一大步。從沖擊原理到數(shù)字化都提高到可以與拉伸試驗(yàn)同等的水平。使沖擊試驗(yàn)從一個(gè)原始落后狀態(tài),一躍進(jìn)入了試驗(yàn)儀器的先進(jìn)行列。這種變化不僅僅反映在沖擊試驗(yàn)機(jī)的飛速發(fā)展方面,而且從儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)方法標(biāo)準(zhǔn)上得到了肯定。儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī),目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家(例如美、英、德、意、日等國(guó))能夠生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)已研制成功JCSJ300-I型及TCSJ30-I型數(shù)字化沖擊試驗(yàn)機(jī),并用于國(guó)內(nèi)儀器化沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。表1是北航研制成功的JCSJ300-I型沖擊機(jī)與德國(guó)生產(chǎn)的同類(lèi)產(chǎn)品的性能比較。3沖擊試驗(yàn)的新趨勢(shì)當(dāng)前沖擊試驗(yàn)的落后,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是普通沖擊試驗(yàn)機(jī)(上面已提到);二是普通沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。這種落后不僅僅在國(guó)內(nèi)可見(jiàn),而且在世界許多國(guó)家也是如此。原因是新的儀器化沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)剛剛誕生不久。盡管如此,發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用推廣。在國(guó)內(nèi)也得到了科研院所、大專(zhuān)院校和大型企業(yè)等單位的重視。如果把2000年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的ISO14556:2000(E)“鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法”與國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T229—1994進(jìn)行比較,明顯感到二者差距之大。這種差距主要表現(xiàn)在試驗(yàn)原理、性能參數(shù)、試驗(yàn)設(shè)備、力-位移曲線(xiàn)的評(píng)定及力特征值的確定、韌性斷面率的計(jì)算幾個(gè)方面。GB/T229—1994中僅僅測(cè)出材料1個(gè)沖擊性能-沖擊功。ISO14556:2000(E)中則給出10個(gè)沖擊參數(shù)、4個(gè)沖擊力、5個(gè)位移和1個(gè)沖擊總能量。如果把國(guó)內(nèi)2003年制定的“鋼材V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)新增加的兩個(gè)參數(shù)裂紋形成功和裂紋擴(kuò)展功包括在內(nèi),新標(biāo)準(zhǔn)將給出12個(gè)參數(shù)。由此可見(jiàn),沖擊試驗(yàn)的新發(fā)展主要體現(xiàn)在沖擊性能指標(biāo)增多和定量上。下面就其儀器化沖擊標(biāo)準(zhǔn)與普通沖擊標(biāo)準(zhǔn)的不同分?jǐn)⑷缦隆?.1沖擊功的定義ISO14556:2000(E)與GB/T229的本質(zhì)上區(qū)別在于對(duì)沖擊功的定義不同。ISO14556:2000(E)把功定義為:通過(guò)擺錘一次打斷夏比沖擊試樣,測(cè)出沖擊力-位移曲線(xiàn),該曲線(xiàn)下的面積為沖斷試樣消耗的總能量(即沖擊功)。這個(gè)定義與功的物理概念一致。GB/T229中沖擊功是根據(jù)GB/T3808用能量守恒原理定義的:沖斷試樣所消耗的總能量等于擺錘在初始位置的勢(shì)能與試樣斷裂后完成第一個(gè)半周期時(shí)的勢(shì)能之差。更確切的定義(如圖3)是:將具有一定質(zhì)量G的擺錘舉至一定高度H1,使其獲得一定的勢(shì)能G·H1,釋放擺錘沖擊試樣,擺錘抬起的高度為H2,其剩余能量為G·H2,擺錘沖斷試樣實(shí)際消耗能量為G·H1-G·H2=G(H1-H2),即為沖斷試樣所消耗能量,稱(chēng)為沖擊功,以AK表示。這個(gè)定義沒(méi)有反映出試樣沖斷過(guò)程中的受力和位移大小,也沒(méi)有給出沖擊能量在沖斷試樣過(guò)程中的變化。因此,它也就不可能反映出材料在沖斷過(guò)程中的彈性、塑性和斷裂的變化過(guò)程。相反,儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)出的沖擊力-位移曲線(xiàn)及其力、位移和能量特征值,不僅把這一過(guò)程形象地用曲線(xiàn)表述出來(lái),而且給出了定量的材料性能數(shù)據(jù)。3.2標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言和符號(hào)的術(shù)語(yǔ)儀器化標(biāo)準(zhǔn)中術(shù)語(yǔ)和符號(hào)共計(jì)25個(gè),本文僅對(duì)與沖擊性能有關(guān)的予以介紹(見(jiàn)圖4)。3.2.1力特征值包括屈服力Fgy、最大力Fm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力Fiu和不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力Fa。3.2.2位移特征值包括屈服位移Sgy、最大位移Sm、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始位移Siu、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止位移Sa及總位移St。3.2.3儀器化沖擊試驗(yàn)方法對(duì)沖擊性能的影響包括裂紋形成能量(功)WI、裂紋擴(kuò)展能量Wp和總沖擊能量Wt(Wt=WI+Wp)。上述術(shù)語(yǔ)中,除總沖擊能量(即沖擊功)外,國(guó)標(biāo)GB/T229中均未提到,也就是說(shuō)儀器化沖擊試驗(yàn)方法中,至少多了十幾個(gè)反映沖擊性能的新參數(shù)。其中最重要的,也是最基本的是4個(gè)力特征值和3個(gè)功的特征值。它們定量的表征了材料在沖擊過(guò)程中的彈性、塑性和斷裂過(guò)程的性能,這也是新標(biāo)準(zhǔn)的突出特點(diǎn)。3.3器化沖擊發(fā)電機(jī)的組成新標(biāo)準(zhǔn)與GB/T229中對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求是一致的,均應(yīng)符合GB/T3808檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定精度要求。其不同點(diǎn)在于,儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)增加了力、位移和能量測(cè)量系統(tǒng)及記錄裝置。該系統(tǒng)組成見(jiàn)圖5。力(位移)測(cè)量系統(tǒng),至少應(yīng)有100kHz的頻率響應(yīng),對(duì)鋼試樣其信號(hào)上升時(shí)間tr應(yīng)不大于3.5μs。動(dòng)態(tài)信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換至少有一個(gè)8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其采樣頻率必須在250kHz以上。推薦采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。應(yīng)該指出,位移傳感器系統(tǒng)信息的特性應(yīng)與力測(cè)量系統(tǒng)一致,以使二者記錄系統(tǒng)同步。3.4力-位移關(guān)系的確定新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)力-位移曲線(xiàn)評(píng)定提出了一些注意問(wèn)題和方法。由于力傳感器、試樣和支座之間在受力時(shí)的相互作用,疊加有振蕩信號(hào),給求力特征值帶來(lái)一定困難。為減少或去掉振蕩影響,采用了擬合曲線(xiàn)方法,使之再現(xiàn)曲線(xiàn)的原始狀態(tài),如圖6所示,用擬合曲線(xiàn)通過(guò)振蕩曲線(xiàn)再現(xiàn)沖擊力特征值。力特征值的確定如下。a.屈服力:力-位移曲線(xiàn)上第二個(gè)峰急劇上升部分與擬合曲線(xiàn)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力。b.最大力:穿過(guò)振蕩曲線(xiàn)的擬合曲線(xiàn)上最大力值所對(duì)應(yīng)的力。c.不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力:擬合曲線(xiàn)與最大力之后曲線(xiàn)急劇下降開(kāi)始時(shí)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力。如果該點(diǎn)與最大力重合,則Fiu=Fm(見(jiàn)圖7的C和D型力-位移曲線(xiàn))。d.不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力:力-位移曲線(xiàn)下降終止時(shí)與其后的力-位移擬合曲線(xiàn)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力(見(jiàn)圖7B、D和E型力-位移曲線(xiàn))。對(duì)于圖7中A、C型力-位移曲線(xiàn),Fa=0。按沖擊曲線(xiàn)近似關(guān)系,通常把力-位移曲線(xiàn)分為6種類(lèi)型,見(jiàn)圖7。A、B型:在最大力前不存在屈服力,只產(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的為A型;有少量穩(wěn)定擴(kuò)展的為B型。F型:在最大力之前存在塑性變形,其后只產(chǎn)生穩(wěn)定擴(kuò)展的為F型。C、D和E型:在最大力之前存在塑性變形,其后有裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和不穩(wěn)定擴(kuò)展。根據(jù)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和不穩(wěn)定擴(kuò)展所占比例不同分為C、D和E型。3.5下的韌性斷裂表面大小的方法盡管韌性斷面率放在標(biāo)準(zhǔn)的資料性附錄中,然而它的重要性不可低估。因?yàn)檫^(guò)去還未曾有過(guò)用計(jì)算方法判定不同材料或同一材料不同狀態(tài)下的韌性斷裂表面大小的方法。其方法是:當(dāng)力-位移曲線(xiàn)為F型時(shí),其韌性斷面率被定為100%。在力-位移曲線(xiàn)最大力之后,力發(fā)生急劇下降的情況時(shí),其下降的數(shù)值大小與力的特征值有關(guān),即取決于Fgy、Fm、Fiu及Fa值的大小。其近似值可按下式計(jì)算:式中,D1、D2、D3、D4為韌性斷面率。這些公式適用于不同韌性范圍的鋼材,根據(jù)不同材料選用。例如:D3適用于某些壓力鋼。4沖擊試驗(yàn)?zāi)繘_擊試驗(yàn)方法與其它試驗(yàn)方法相比有3個(gè)特點(diǎn):沖擊速度(5m/s)高,約為拉伸速度的103～105倍;沖擊試樣開(kāi)缺口;沖擊試驗(yàn)的受力狀態(tài)是試樣缺口一面受拉,與之相對(duì)的另一面受壓。也就是說(shuō),該試驗(yàn)方法試樣缺口部分受力有一個(gè)由拉變壓的過(guò)程。這3個(gè)特點(diǎn)決定了它的用途。沖擊速度決定了它是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法。加載速度將使材料的塑性變形不能充分進(jìn)行。強(qiáng)度增加,塑性降低使其變形局限在缺口附近,致使材料變脆,有利于檢驗(yàn)材料缺陷,尤其是材料的表面狀態(tài)。因?yàn)闆_擊試驗(yàn)的表面拉應(yīng)力最大,對(duì)表面缺陷敏感,因此廣泛應(yīng)用于材料宏觀和顯微組織缺陷的檢驗(yàn),如夾渣、氣泡、分層、偏析以及夾雜物等等。過(guò)去只有一個(gè)沖擊功指標(biāo),使沖擊試驗(yàn)進(jìn)一步分析受到很大限制,不能確切、定量地給出沖擊試驗(yàn)材料性能變化。儀器化沖擊試驗(yàn)方法給出的沖擊力和沖擊功等多項(xiàng)定量性能參數(shù),給材料的沖擊變形及斷裂性能分析提供了數(shù)據(jù)依據(jù),將會(huì)引起人們關(guān)注。尤其對(duì)表面強(qiáng)化或者弱化引起的沖擊性能變化,它會(huì)引起更多研究者的重視,因?yàn)楸砻鎻?qiáng)化是提高疲勞強(qiáng)度的良方。因此,把沖擊用于表面強(qiáng)化效應(yīng)的檢測(cè),將為表面強(qiáng)化檢驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)新的途徑。使材料變脆的三因素中,還有溫度。沖擊試驗(yàn)的系列沖擊方法,把沖擊速度、開(kāi)缺口及降低溫度合而為一,用以測(cè)定鋼材的冷脆。由此可見(jiàn),儀器化沖擊試驗(yàn)方法的貫徹,將會(huì)促使沖擊試驗(yàn)有個(gè)新的發(fā)展。5fatt試驗(yàn)的方法有新標(biāo)準(zhǔn)的貫徹和實(shí)施,將會(huì)在以下10個(gè)方面取得新的進(jìn)展。a.表面強(qiáng)化效應(yīng)的研究。由于擺錘沖擊試驗(yàn),試樣缺口截面上受力是不均勻的,缺口處受拉應(yīng)力,缺口根部拉力最大。如果缺口表面狀態(tài)有變化,例如噴丸、鍍層、滾壓或者滲碳等均會(huì)使表面強(qiáng)化并且產(chǎn)生壓應(yīng)力,而腐蝕會(huì)使表面弱化,那么沖擊試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)化或弱化效果會(huì)很敏感,使沖擊力或者沖擊能量增加或減少。b.對(duì)冶金質(zhì)量及熱處理工藝缺陷進(jìn)行定量檢驗(yàn)。把具有使用價(jià)值的沖擊力、位移、裂紋形成功及擴(kuò)展功等沖擊性能,作為檢驗(yàn)依據(jù)以評(píng)定缺陷的嚴(yán)重程度,分析其形成原因。c.對(duì)材料的韌脆轉(zhuǎn)變的評(píng)估。因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展功在轉(zhuǎn)變過(guò)程中變化顯著,不僅能夠給出定量評(píng)估指標(biāo),而且能從微觀形態(tài)和宏觀斷口上進(jìn)行分析。d.材料的韌脆程度將會(huì)以韌性斷面率來(lái)衡量。同一種材料不同狀態(tài)的韌性斷面率可以進(jìn)行比較。e.宏觀斷口與所測(cè)出的沖擊力