夏比冲击试验是一种用于评价金属材料冲击韧性的传统力学性能试验方法，因具有试样加工简便，试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷敏感等特点，而被世界各国广泛采用。不同国家的冲击试验标准对试验机、试样、试验程序、试验结果的处理与修约等的规定不尽相同，但均未就砧座磨损对试验结果的影响进行规定或说明。

为此，笔者分别采用磨损严重的旧砧座和完好的新砧座对超高、高、中能量级的弧形缺口标准试样进行冲击试验，并根据力-冲击吸收能量-时间曲线和试样宏观形貌就砧座磨损对冲击试验结果的影响进行了分析和讨论。

夏比冲击试验工作原理

摆锤冲击试验机的试验原理是利用摆锤冲击试样前后的能量差来测定该试样的冲击消耗能量，每一个运动着的物体都具有能量，冲击现象实际上是物体之间能量的转换，或者说是能量的传递过程，材料的韧性强弱就是用其能接受这种能量的高低来衡量的。材料的韧性可以用材料在冲击力的作用下，试样一次冲断时单位截面积上所消耗的冲击吸收能量来表示，如图1所示。

图1 夏比冲击试验原理示意图

设摆锤初始位置的预扬角为α，摆锤冲击试样后其位置的扬角为β，摆锤在初始位置时的能量为EA，在冲击完成后位置的能量为EB，在空气阻力消耗的能量和设备的摩擦因数忽略不计的情况下，则试样在冲击力作用下折断时所消耗的能量为

 A_K＝E_A-E_B         (1)

 其中

E_A＝mgH＝mgL(1-cosα)         (2)

E_B＝mgL(1-cosβ)         (3)

A_K＝E_A-E_B＝mgL(cosβ-cosα)         (4)

A_K＝M(cosβ-cosα)         (5)

式中：m为摆锤质量，kg；g为当地重力加速度，m·s-2；L为摆锤长度，m；M为摆锤力矩，N·m。

试验过程及分析

试验试样为北京钢铁设计研究总院生产的弧形缺口标准试样，选取了3个能量范围的标准试样进行试验，国家钢铁材料测试中心对这3个能量范围弧形缺口标准试样的校准结果见表1。试验机为Zwick RKP450 IWI型全自动示波冲击试验机，冲击刀刃半径为2mm。

表1 试验用标准试样的校准结果

根据GB/T 3808-2002要求，砧座跨距应为40~40.2mm，曲率半径应为1~1.5mm，斜度应为10°~12°。为了验证砧座的曲率半径对于冲击吸收能量的影响，试验分别采用如图2所示的完好新砧座和已经磨损很严重的报废砧座对弧形缺口标准试样进行冲击试验，并对冲击吸收能量-时间曲线、力-时间曲线进行分析。

图2 试验用砧座形貌

首先用磨损砧座分别对3档能量值的标准试样进行试验，通过示波冲击试验机采集试验过程的瞬间力值变化，并由电脑自动记录、绘制，得到的力-冲击吸收能量-时间曲线如图3所示；再利用完好的新砧座对3档能量值的标准试样进行冲击试验，得到的力-冲击吸收能量-时间曲线如图4所示。

图3 磨损砧座测得的力-冲击吸收能量-时间曲线

图4 新砧座测得的力-冲击吸收能量-时间曲线

由图3可以看出，使用磨损砧座试验得到的力-时间曲线在试样被敲击后持续受摩擦力的影响较大，曲线波动较大，力和时间做积分得到摩擦产生的功，这一摩擦功导致最终得到的冲击吸收能量高于实际值。

由图4可以看出，使用新砧座试验得到的力-时间曲线在试样被敲击后持续受摩擦力的影响较小，并且在后期力-时间曲线较为平滑，摩擦力做功较图3中的明显减小，最终得到的冲击吸收能量与校准值基本接近。

冲击试验后3档不同能量标准试样与新钻座、磨损砧座接触处留下的痕迹形貌对比如图5~7所示，3档不同能量标准试样使用新砧座和磨损砧座测得的力-冲击吸收能量-时间曲线对比如图8~10所示。

图5 超高能量级试样形貌对比

图6 高能量级试样形貌对比

图7 中能量级试样形貌对比

图8 新、磨损砧座测得的超高能量级试样的力-冲击吸收能量-时间曲线对比

图9 新、磨损砧座测得的高能量级试样的力-冲击吸收能量-时间曲线对比

图10 新、磨损砧座测得的中能量级试样的力-冲击吸收能量-时间曲线对比

由图5和图8可以看到，由于试样能量级别较高，超高能量级试样与砧座接触部分的变形非常大，吸收了很多摩擦功。从摆锤与试样刚刚开始接触摩擦力便开始做功，这一过程一直持续到试样完全脱离砧座，做功时间持续较长，故而两条力-时间曲线一直保持很大的落差，导致最终磨损砧座测得的总冲击吸收能量高达268.7J，而新砧座测得的总冲击吸收能量为240.9J，两者相差11.5％。

由图6和图9可以看到，高能量级试样与砧座接触部分的变形较大，吸收了较多的摩擦功。从中后期开始两条力-时间曲线落差明显增大，故摩擦力做功主要集中在冲击过程的中后期，做功时间不是很长。磨损砧座测得的总冲击吸收能量为137.7J，新砧座测得的总冲击吸收能量为128.0J，两者相差7.5％。

由图7和图10可以看到，中能量级试样与砧座接触部分的变形比较小。在后期两条力-时间曲线落差才开始显现，故摩擦力做功基本出现在冲击过程的后期，做功时间较短。磨损砧座测得的总冲击吸收能量为88.2J，新砧座测得的总冲击吸收能量为83.3J，两者相差5.8％。

表2 新、磨损砧座测得的不同能量级别试样的冲击吸收能量对比

以上结果综合对比见表2，可见试样能量级别越高，受砧座磨损影响越大，摩擦做功越多，导致最终得到的冲击吸收能量偏高越多。

结论

(1)用因磨损导致曲率半径严重变形的砧座进行冲击试验时，会在试验过程中产生额外的摩擦功，导致试验得到的冲击吸收能量较实际值偏高。

(2)试样能量级别越高，受砧座磨损影响越大，摩擦力越大，做功持续时间越长，导致最终测得的冲击吸收能量偏离实际值越大。

(3)在每次冲击试验后要及时清理砧座上的残留毛刺和切削残屑，以减小试验结果的偏差。

作者：谢晓宇，工程师，上海电气核电设备有限公司