分享：一种用于定性判断冲击试验机失准类型的方法
摘 要:介绍了用于定性判断冲击试验机失准类型的观察挤压痕法.该方法可以在冲击试验机 失准时,定性判断出多种失准的类型,如砧座过度磨损、砧座不均匀磨损、砧座表面粗糙度超差、砧 座有缺口、摆杆弯曲、试样不对中和冲击刃不对中等.该方法容易掌握、操作简便、实用性强,可用 于冲击试验机的日常检查,并可作为实验室的日常质量控制手段之一加以推广应用.
关键词:冲击试验机;失准;挤压痕;日常检查;质量控制
中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７５５Ｇ０４
夏比摆锤冲击试验方法是金属材料力学性能测 试的基本方法之一,是评价在冲击载荷作用下金属 材料韧性的重要手段.采用夏比摆锤冲击试验方法 得到的试验数据相对分散,和拉伸、硬度等静态力学 试验相比,试验结果的稳定性和重复性也较差.加 上试验过程中存在材料本身的不均匀性、试样之间 加工尺寸的差异性和试验操作的不一致性等问题, 根据相关材料规范要求,在采用夏比摆锤冲击试验 进行其冲击性能测试时需取３个或以上的试样进行 平行试验.
夏比摆锤冲击试验中所用的冲击试验机在工作 过程中会频繁受到来自试样的反作用力,机身框架 会产生剧烈的振动.和拉伸试验机、硬度计等静态 试验设备相比,冲击试验机的关键部件在较短时间 内容易出现磨损、松动、变形等问题,这些都会对试 验机的准确性和稳定性造成影响,导致试验机可能 会在下一个校准周期到来前就提前失准,因此有必 要加强对冲击试验机的维护保养,对其进行有效的 日常检验和期间核查[１].笔者介绍了用于定性判断 冲击试验机失准类型的观察挤压痕法,该方法容易 掌握,操作简便且实用性强.
１ 操作原理
’挤压痕是冲击试样在通过试验机砧座时其侧面 受砧座挤压变形而留下的痕迹.挤压痕能反映试验 过程中试样与砧座的相对位置关系.不同能量级别 的试样,在试验机出现不同的失准状态时,其挤压痕 会呈现不同的外观形貌.通过观察试样上挤压痕的 宽窄、深浅、形状和位置,可以快速直观地判断冲击 试验机存在的问题.
通常检测实验室不具备内部校准的能力,和需 要借助尺寸测量工具对冲击试验机进行的直接检验 法以及利用标准试样进行的间接检验法相比,观察 试样挤压痕的方法不需要具备专业检定校准知识或 资质的人员,也不需要借助任何外界辅助装置或额 外试样,仅需具备一定经验的试验操作人员观察测 试后留存的试样即可完成对潜在问题的排查,相对 容易掌握,操作也可随时随地进行,因此该方法适合 作为冲击试验机的日常检查方法.
２ 冲击试验机的失准类型
２．１ 砧座过度磨损
冲击试验机的主要磨损通常发生在砧座[２].冲 击试验机使用一段时间后,为检查砧座的磨损程度 是否在标准允许的范围内,必须将其从冲击试验机 上拆下,经尺寸检验合格后,方可重新安装使用.该 检验方法虽然可靠,但整套流程较繁琐,砧座的拆卸 安装较困难,且并不是所有试验人员都具备独立测 量砧座外形尺寸的能力,因此该方法不适合用于实 验室的日常检查.
针对上述情况,可以通过检查试样(特别是高能 量试样)折断时侧面留下的挤压痕来快速评估砧座 的磨损情况.由图１可见,当砧座符合标准规定的 尺寸公差要求时,会在两截折断的试样上分别形成 一个窄而深的痕迹;当砧座过度磨损时,会在两截试 样上各留下一个宽而浅的痕迹.对于高能量试样, 这种痕迹的变化更明显且易于观察.磨损的砧座必 须更换,这是因为和未磨损的砧座相比,砧座磨损意 味着试验跨距变大,试样通过磨损的砧座时所需的 能量比通过未磨损的砧座时所需的能量要小,试验 结果会低于正常值[３Ｇ４].对于高能量试样,这种能量 偏低的现象会更显著.
可以选用成分、力学性能和硬度都相同的同批次材料预制一批高能量试样,在冲击试验机检定合 格后用新的符合尺寸公差要求的砧座测试其中的若 干件并保留,作为日后观察挤压痕宽窄和深浅的“标 准试样”.在冲击试验机使用一段时间后,再用此砧 座测试剩下的预制试样中的若干件,将这些试样与 前期保留的“标准试样”进行比较,由两者挤压痕的 差异来评估现有砧座的磨损情况.对于吸收能量相 近的试样,挤压痕会随着砧座磨损程度的加深而变 得更宽、更光滑.实验室可根据冲击试验机的使用 频率制定相应的比对周期.
２．２ 砧座不均匀磨损
图２是频繁检测小尺寸试样导致砧座的竖直方 向磨损不均匀而形成的挤压痕示意图.随着试样能 量的增加,挤压痕在砧座磨损严重一侧的宽窄变化 更明显且易于观察.在这种砧座状态下有３个问题 需要注意:
(１)对于标准尺寸试样,这种磨损存在于较小 的接触面积内,通常不会影响试样断裂所需要的能 量,因此也就无法在冲击试验机的间接检验中,通过 测试标准试样的能量来评估磨损情况.
(２)这种磨损可能导致砧座的公差超出标准的 要求,也就意味着该冲击试验机不符合标准中直接 检验的要求,但也不具备间接检验的资格,此时采用 观察试样挤压痕的方法就很必要.
(３)当小尺寸试样在砧座磨损严重的区域进行 试验时,其测试结果要低于正常值,此时应及时更换 砧座.
２．３ 砧座表面粗糙度超差
在某些测试条件下,特别是高温测试,会加速砧 座的磨损,增加砧座圆角处的表面粗糙度,从而产生 过大的摩擦力,形成如图３所示的挤压痕.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 挤压痕更宽,边缘粗糙不齐且有一条凸起.这样的砧座会增加试样断裂所需的能量,测得的试验结果会高 于正常值(尤其是高能量试样),此时必须更换砧座.
２．４ 砧座有缺口
砧座上积存的铁屑会使其在使用过程中产生崩 损的缺口.有缺口的砧座均能通过观察低、中、高能 量试样的挤压痕来发现,如图４所示,随着试样能量 的增加,在钻座缺口处的不规则挤压痕会变得更宽 更深,更易于观察.砧座的缺口会对试样吸收能量 产生影响.由于砧座表面不光滑,缺口会增大试样通 过砧座时的摩擦,从而增加试样断裂所需的能量,得 到的试验结果会高于正常值.低能量试样受到缺口 的影响较小,因为其硬度最高,断裂形式为脆性断裂, 试样与砧座的摩擦较小;缺口对于韧性较好的中、高 能量试样影响较大.应及时更换有缺口的砧座.
２．５ 摆杆弯曲
冲击试验机在使用过程中其摆杆会受到来自试 样的反作用力,长期受力会使摆杆产生微小弯曲. 正常摆杆和弯曲的摆杆与试样接触时的位置示意如 图５所示.弯曲的摆杆会先接触到试样朝上放置的 一侧,这导致试样过度扭曲,试样朝上放置的一侧挤 压痕会更深,见图６.这种扭曲还会导致试样在断 裂后与摆杆发生相互碰撞,并造成额外的能量损失, 因此测得的试验结果会高于正常值[５].应及时更换 弯曲的摆杆.
２．６ 试样不对中
试样不对中是指试样缺口的对称面不处于两砧座跨距的正中间,此时冲击刃的打击点会偏向试样 缺口对称面的一侧.试样不对中的问题可通过观察 低能量试样的挤压痕来发现.当试样对中时,试样 缺口边缘至两截折断试样侧面挤压痕的距离相等; 如果发现距离不相等,那么可以判断为试样在摆放 过程中出现了不对中.
由图７可见,当试样对中时,低能量试样的断口 平整,两截试样均匀等长;当试样不对中时,由于冲 击刃的打击位置并不位于缺口根部的正后方,这导 致试样受冲击后裂纹的扩展方向发生偏移,测试后 的试样断口存在一个斜角,冲击刃偏向一侧的一截 试样要比另一侧的一截试样短.冲击位置越偏离缺口对称面,断口的斜角越大,两截试样的长短差异也 越大.试样不对中会增加试样断裂所需的能量,测 得的试验结果会高于正常值[６].
实际上,试样不对中不完全属于冲击试验机自 身失准的情况.对于配备了自动送样装置的试验 机,可能是由于试样自动定位装置出现磨损或偏离 对中;对于采用人工送样方式的试验机,其最常见的 原因是使用了磨损的试样对中夹钳或是试验人员操 作过程不仔细造成的.此外,使用在试验温度下过 于粘稠的冷却介质使试样在支座上漂浮滑动也会导 致试样不对中,这种情况在使用自动送样装置和人 工对中夹钳时都有可能出现.建议将体积分数为 ９５％的工业乙醇作为低温冲击试验的冷却介质,因 其具有较低的凝固点(－１１４ ℃)和较强的挥发性, 能从试样底部迅速挥发,有效防止试样滑动.
２．７ 冲击刃不对中
冲击刃不 对 中 与 试 样 不 对 中 的 情 况 不 同,因 为缺口对称 面 处 于 两 砧 座 跨 距 的 正 中 间,因 此 试 样缺口边缘至两截折断试样侧面挤压痕的距离相 等.但是冲击刃的打击位置不是位于缺口根部的 正后方,这导致裂纹的扩展方向发生偏移,试样断 口出现斜角,两截折断的试样呈现长短差异.图８ 是冲击刃不对中时断裂试样的挤压痕示意图.不 对中的冲击刃通常是摆锤轴偏离了中心位置所引 起,而这种偏 离 推 测 是 冲 击 试 验 机 在 长 期 使 用 的 过程中,试验 机 框 架 和 摆 杆 的 机 械 振 动 造 成 了 摆 锤轴上的对中环或轴承块出现松动所导致.冲击 刃不对中也 会 增 加 试 样 断 裂 所 需 的 能 量,测 得 的 试验结果会高于正常值.
３ 结语
观察试样挤压痕来判断冲击试验机失准类型的 方法简便实用,通过观察冲断试样的挤压痕能够快 速判断冲击试验机可能存在的问题,为试验机失准 类 型的判断、试验机的调整和后续的再校准提供依据.该方法容易掌握、操作简便、实用性强,可用于 冲击试验机的日常检查,并作为实验室的日常质量 控制手段之一加以推广应用.
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