摘 要:介紹了用于定性判斷沖擊試驗機失準(zhǔn)類型的觀察擠壓痕法.該方法可以在沖擊試驗機 失準(zhǔn)時,定性判斷出多種失準(zhǔn)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(zhì)量控制手段之一加以推廣應(yīng)用.
關(guān)鍵詞:沖擊試驗機;失準(zhǔn);擠壓痕;日常檢查;質(zhì)量控制
中圖分類號:TG１１５．５ 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)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(shù)據(jù)相對分散,和拉伸、硬度等靜態(tài)力學(xué) 試驗相比,試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)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(jù)相關(guān)材料規(guī)范要求,在采用夏比擺錘沖擊試驗 進(jìn)行其沖擊性能測試時需?。硞€或以上的試樣進(jìn)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(chǎn)生劇烈的振動.和拉伸試驗機、硬度計等靜態(tài) 試驗設(shè)備相比,沖擊試驗機的關(guān)鍵部件在較短時間 內(nèi)容易出現(xiàn)磨損、松動、變形等問題,這些都會對試 驗機的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響,導(dǎo)致試驗機可能 會在下一個校準(zhǔn)周期到來前就提前失準(zhǔn),因此有必 要加強對沖擊試驗機的維護保養(yǎng),對其進(jìn)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(zhǔn)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(cè)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(guān)系.不同能量級別 的試樣,在試驗機出現(xiàn)不同的失準(zhǔn)狀態(tài)時,其擠壓痕 會呈現(xiàn)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(nèi)部校準(zhǔn)的能力,和需 要借助尺寸測量工具對沖擊試驗機進(jìn)行的直接檢驗 法以及利用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)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(zhǔn)知識或 資質(zhì)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(jīng)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(jìn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi),必須將其從沖擊試驗機 上拆下,經(jīng)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(cè)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(dāng)砧座符合標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jié)果會低于正常值[３Ｇ４].對于高能量試樣,這種能量 偏低的現(xiàn)象會更顯著.
可以選用成分、力學(xué)性能和硬度都相同的同批次材料預(yù)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(biāo) 準(zhǔn)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(yù)制試樣中的若干件,將這些試樣與 前期保留的“標(biāo)準(zhǔn)試樣”進(jìn)行比較,由兩者擠壓痕的 差異來評估現(xiàn)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(jù)沖擊試驗機的使用 頻率制定相應(yīng)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(dǎo)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(yán)重一側(cè)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(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣,這種磨損存在于較小 的接觸面積內(nèi),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(biāo)準(zhǔn)試樣的能量來評估磨損情況.
(２)這種磨損可能導(dǎo)致砧座的公差超出標(biāo)準(zhǔn)的 要求,也就意味著該沖擊試驗機不符合標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)小尺寸試樣在砧座磨損嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行 試驗時,其測試結(jié)果要低于正常值,此時應(yīng)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(xiàn),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(chǎn)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(jié)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(yīng)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(chǎn)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(cè),這導(dǎo)致試樣過度扭曲,試樣朝上放置的一側(cè)擠 壓痕會更深,見圖６.這種扭曲還會導(dǎo)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(jié)果會高于正常值[５].應(yīng)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(cè).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(xiàn).當(dāng)試樣對中時,試樣 缺口邊緣至兩截折斷試樣側(cè)面擠壓痕的距離相等; 如果發(fā)現(xiàn)距離不相等,那么可以判斷為試樣在擺放 過程中出現(xiàn)了不對中.
由圖７可見,當(dāng)試樣對中時,低能量試樣的斷口 平整,兩截試樣均勻等長;當(dāng)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(dǎo) 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(cè)的一截 試樣要比另一側(cè)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(jié)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(zhǔn)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(xiàn)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(xì)造成的.此外,使用在試驗溫度下過 于粘稠的冷卻介質(zhì)使試樣在支座上漂浮滑動也會導(dǎo) 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(xiàn).建議將體積分?jǐn)?shù)為 ９５％的工業(yè)乙醇作為低溫沖擊試驗的冷卻介質(zhì),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(cè)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(dǎo)致裂紋的擴展方向發(fā)生偏移,試樣斷 口出現(xiàn)斜角,兩截折斷的試樣呈現(xiàn)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(xiàn)松動所導(dǎo)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(jié)果會高于正常值.
３ 結(jié)語
觀察試樣擠壓痕來判斷沖擊試驗機失準(zhǔn)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(zhǔn) 類 型的判斷、試驗機的調(diào)整和后續(xù)的再校準(zhǔn)提供依據(jù).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(zhì)量 控制手段之一加以推廣應(yīng)用.
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