摘 要:介紹了用于定性判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)失準(zhǔn)類型的觀察擠壓痕法.該方法可以在沖擊試驗(yàn)機(jī) 失準(zhǔn)時(shí),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(shí)用性強(qiáng),可用 于沖擊試驗(yàn)機(jī)的日常檢查,并可作為實(shí)驗(yàn)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(yàn)機(jī);失準(zhǔn);擠壓痕;日常檢查;質(zhì)量控制 

中圖分類號(hào):TG１１５．５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７５５Ｇ０４

夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法是金屬材料力學(xué)性能測 試的基本方法之一,是評價(jià)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(yàn)方法 得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對分散,和拉伸、硬度等靜態(tài)力學(xué) 試驗(yàn)相比,試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性也較差.加 上試驗(yàn)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(yàn)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(yàn) 進(jìn)行其沖擊性能測試時(shí)需?。硞€(gè)或以上的試樣進(jìn)行 平行試驗(yàn). 

夏比擺錘沖擊試驗(yàn)中所用的沖擊試驗(yàn)機(jī)在工作 過程中會(huì)頻繁受到來自試樣的反作用力,機(jī)身框架 會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng).和拉伸試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)等靜態(tài) 試驗(yàn)設(shè)備相比,沖擊試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件在較短時(shí)間 內(nèi)容易出現(xiàn)磨損、松動(dòng)、變形等問題,這些都會(huì)對試 驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響,導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)可能 會(huì)在下一個(gè)校準(zhǔn)周期到來前就提前失準(zhǔn),因此有必 要加強(qiáng)對沖擊試驗(yàn)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng),對其進(jìn)行有效的 日常檢驗(yàn)和期間核查[１].筆者介紹了用于定性判斷 沖擊試驗(yàn)機(jī)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(shí)用性強(qiáng).

１ 操作原理 

’擠壓痕是沖擊試樣在通過試驗(yàn)機(jī)砧座時(shí)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(yàn) 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(yàn)機(jī)出現(xiàn)不同的失準(zhǔn)狀態(tài)時(shí),其擠壓痕 會(huì)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(yàn)機(jī)存在的問題. 

通常檢測實(shí)驗(yàn)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(yàn)機(jī)進(jìn)行的直接檢驗(yàn) 法以及利用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行的間接檢驗(yàn)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(shí)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(yàn)的試驗(yàn)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(shí)隨地進(jìn)行,因此該方法適合 作為沖擊試驗(yàn)機(jī)的日常檢查方法. 

２ 沖擊試驗(yàn)機(jī)的失準(zhǔn)類型 

２．１ 砧座過度磨損 

沖擊試驗(yàn)機(jī)的主要磨損通常發(fā)生在砧座[２].沖 擊試驗(yàn)機(jī)使用一段時(shí)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(yàn)機(jī) 上拆下,經(jīng)尺寸檢驗(yàn)合格后,方可重新安裝使用.該 檢驗(yàn)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(yàn)人員都具備獨(dú)立測 量砧座外形尺寸的能力,因此該方法不適合用于實(shí) 驗(yàn)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(shí)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(shí),會(huì)在兩截折斷的試樣上分別形成 一個(gè)窄而深的痕跡;當(dāng)砧座過度磨損時(shí),會(huì)在兩截試 樣上各留下一個(gè)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?yàn)楹臀茨p的砧座相比,砧座磨損意 味著試驗(yàn)跨距變大,試樣通過磨損的砧座時(shí)所需的 能量比通過未磨損的砧座時(shí)所需的能量要小,試驗(yàn) 結(jié)果會(huì)低于正常值[３Ｇ４].對于高能量試樣,這種能量 偏低的現(xiàn)象會(huì)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(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)使用一段時(shí)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(huì)隨著砧座磨損程度的加深而變 得更寬、更光滑.實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)沖擊試驗(yàn)機(jī)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(gè)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(huì)影響試樣斷裂所需要的能 量,因此也就無法在沖擊試驗(yàn)機(jī)的間接檢驗(yàn)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(yàn)機(jī)不符合標(biāo)準(zhǔn)中直接 檢驗(yàn)的要求,但也不具備間接檢驗(yàn)的資格,此時(shí)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(yàn)時(shí),其測試結(jié)果要低于正常值,此時(shí)應(yīng)及時(shí)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(huì)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(huì)增加試樣斷裂所需的能量,測得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高 于正常值(尤其是高能量試樣),此時(shí)必須更換砧座.

２．４ 砧座有缺口 

砧座上積存的鐵屑會(huì)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(huì)變得更寬 更深,更易于觀察.砧座的缺口會(huì)對試樣吸收能量 產(chǎn)生影響.由于砧座表面不光滑,缺口會(huì)增大試樣通 過砧座時(shí)的摩擦,從而增加試樣斷裂所需的能量,得 到的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值.低能量試樣受到缺口 的影響較小,因?yàn)槠溆捕茸罡?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(shí)更換有缺口的砧座.

２．５ 擺桿彎曲 

沖擊試驗(yàn)機(jī)在使用過程中其擺桿會(huì)受到來自試 樣的反作用力,長期受力會(huì)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(shí)的位置示意如 圖５所示.彎曲的擺桿會(huì)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(huì)更深,見圖６.這種扭曲還會(huì)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(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值[５].應(yīng)及時(shí)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(shí)沖擊刃的打擊點(diǎn)會(huì)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(shí),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(shí),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(shí),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(kuò)展方向發(fā)生偏移,測試后 的試樣斷口存在一個(gè)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(huì)增加試樣斷裂所需的能量,測 得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值[６].

實(shí)際上,試樣不對中不完全屬于沖擊試驗(yàn)機(jī)自 身失準(zhǔn)的情況.對于配備了自動(dòng)送樣裝置的試驗(yàn) 機(jī),可能是由于試樣自動(dòng)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(yàn)機(jī),其最常見的 原因是使用了磨損的試樣對中夾鉗或是試驗(yàn)人員操 作過程不仔細(xì)造成的.此外,使用在試驗(yàn)溫度下過 于粘稠的冷卻介質(zhì)使試樣在支座上漂浮滑動(dòng)也會(huì)導(dǎo) 致試樣不對中,這種情況在使用自動(dòng)送樣裝置和人 工對中夾鉗時(shí)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(yàn)的冷卻介質(zhì),因 其具有較低的凝固點(diǎn)(－１１４ ℃)和較強(qiáng)的揮發(fā)性, 能從試樣底部迅速揮發(fā),有效防止試樣滑動(dòng).

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(kuò)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(shí)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(yàn) 機(jī) 在 長 期 使 用 的 過程中,試驗(yàn) 機(jī) 框 架 和 擺 桿 的 機(jī) 械 振 動(dòng) 造 成 了 擺 錘軸上的對中環(huán)或軸承塊出現(xiàn)松動(dòng)所導(dǎo)致.沖擊 刃不對中也 會(huì) 增 加 試 樣 斷 裂 所 需 的 能 量,測 得 的 試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于正常值.

３ 結(jié)語 

觀察試樣擠壓痕來判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)失準(zhǔn)類型的 方法簡便實(shí)用,通過觀察沖斷試樣的擠壓痕能夠快 速判斷沖擊試驗(yàn)機(jī)可能存在的問題,為試驗(yàn)機(jī)失準(zhǔn) 類 型的判斷、試驗(yàn)機(jī)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(shí)用性強(qiáng),可用于 沖擊試驗(yàn)機(jī)的日常檢查,并作為實(shí)驗(yàn)室的日常質(zhì)量 控制手段之一加以推廣應(yīng)用.

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