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夏比冲击试验检测

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发布时间：2025-06-01 19:34:08 更新时间：2025-05-31 19:34:08

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

夏比冲击试验检测：评估材料韧性的关键手段

夏比冲击试验（Charpy Impact Test）是材料力学性能检测中一项至关重要的动态测试方法，主要用于评估金属材料（特别是钢材）在受到高速冲击载荷时的韧性（抵抗脆性断裂的能力）和抗冲击性能。该试验通过测量标准试样在缺口处断裂时所吸收的能量（冲击吸收功KV2或KU2）来量化材料的韧性，尤其关注材料在低温环境下的韧-脆转变行为，对保障大型工程结构（如桥梁、船舶、压力容器、管道）、机械设备、军工产品等在服役过程中的安全可靠性具有不可替代的作用。其核心价值在于揭示材料在冲击载荷下的潜在脆断倾向，为材料选择、工艺优化、失效分析及安全评定提供关键依据。

检测项目

夏比冲击试验的核心检测项目包括：

1. 冲击吸收功 (Impact Absorbed Energy, KV₂ 或 KU₂)： 这是最主要的检测指标，单位通常为焦耳（J）或英尺-磅力（ft-lbf）。它直接反映了试样断裂过程中消耗的总能量，是衡量材料韧性的直接量化参数。通常报告平均值（通常是3个试样的平均值）、单个值以及离散情况。

2. 断口形貌评定 (Fracture Appearance)： 对试样断裂后的断口进行观察和分析，主要识别和计算：

* 纤维状断面率 (Shear Fracture Percentage)： 断口上呈现韧性断裂特征的纤维状区域所占的比例，该比例越高，材料韧性越好。

* 结晶状断面率 (Cleavage Fracture Percentage)： 断口上呈现脆性断裂特征的结晶状（闪亮）区域所占的比例。

3. 侧膨胀值 (Lateral Expansion, LE)： 测量试样断裂后，在缺口背面两侧产生的塑性膨胀变形量（单位：毫米 mm）。它也是反映材料韧性的重要指标，尤其在某些标准（如某些管道标准）中具有重要地位。侧膨胀值越大，表明材料的塑性变形能力越强，韧性越好。

4. 韧脆转变温度 (Ductile-to-Brittle Transition Temperature, DBTT)： 通过对材料在不同温度下进行系列冲击试验，绘制冲击功-温度曲线或侧膨胀值-温度曲线，从而确定材料从韧性断裂为主向脆性断裂为主转变的温度区间或特征温度点（如根据特定能量值或特定纤维断面率对应的温度）。

检测仪器

进行夏比冲击试验的核心设备是：

1. 摆锤式冲击试验机 (Pendulum Impact Tester)：

* 主要构成： 坚固的机架、可自由摆动的摆锤（带有特定质量和冲击刀刃）、试样支座（砧座）、能量指示装置（指针和刻度盘或数字显示系统）、释放机构和制动装置。

* 工作原理： 将摆锤提升到规定高度（初始位能已知）。释放后，摆锤自由下落，其刀刃以规定速度冲击并瞬间打断安装在砧座上的标准夏比V型或U型缺口试样。试样断裂消耗的能量来自于摆锤的动能，使摆锤冲断试样后上升的高度低于初始高度。能量指示装置通过测量摆锤冲断试样后的剩余上升高度（或摆角）来计算试样断裂所吸收的能量。

* 关键要求： 试验机必须定期进行严格的检定和校准（依据如ISO 148-2, ASTM E23），以确保其能量刻度、摩擦损失、打击中心位置、冲击速度（通常为5.0-5.5 m/s）等参数符合标准要求，砧座跨距和圆角半径也需精确控制（如V型缺口试样砧座跨距为40mm±0.5mm）。

2. 辅助设备：

* 低温装置： 用于进行低温冲击试验，通常包括低温槽（使用酒精+干冰混合物或液氮等制冷剂）或环境箱，能精确控制并维持测试温度（如-196℃至室温或更高）。

* 试样转移装置： 对于低温试验，需在低温介质中保温足够时间后，快速（通常要求<5秒）将试样从低温介质中取出并放置到试验机砧座上，以保证试样温度在冲击前不显著升高。常用有专用钳和自动送样装置。

* 断口测量工具： 如侧膨胀量规（用于测量侧膨胀值）、放大镜或体视显微镜（用于观察和评估断口形貌）。

* 缺口加工设备： 制备标准缺口（尤其是V型缺口）需要精密的铣床或专用拉床。

检测方法

标准的夏比冲击试验流程如下：

1. 试样制备： 严格按照相关标准（如ISO 148-1, ASTM E23, GB/T 229）规定的尺寸和公差加工标准试样。标准试样为横截面10mm×10mm，长度55mm的长方体棒。在试样长度方向的中部、垂直于一个10mm×10mm面的方向上开制标准缺口。最常用的是深度2mm、根部半径0.25mm、角度45°的V型缺口（Charpy V-notch, CVN）。也有U型缺口（深度2mm或5mm，根部半径1mm）等类型，但应用较少。试样表面应无划痕、毛刺等影响测试结果的缺陷。

2. 试验温度设定： 根据试验目的或材料规范要求设定测试温度（室温、低温或高温）。

3. 试样冷却/加热与保温（如需）： 对于非室温试验，将试样完全浸入温度可控的介质（如无水酒精+液氮/干冰混合物用于低温）中，在规定温度下保温足够时间（通常≥15-30分钟），确保试样整体温度均匀并稳定在目标温度。

4. 试样转移与安装： 使用预冷（或预热）的夹具快速将试样从介质中取出，立即准确放置在试验机的砧座上，确保缺口中心线对准砧座跨距中心，缺口背对冲击方向（即冲击刀刃打击在开有缺口的面上）。转移和放置时间应极短（一般<5秒），以避免试样温度在冲击前显著回升。

5. 冲击与能量记录： 释放摆锤，使其自由下落打断试样。试验机的能量指示装置（指针或数字系统）自动记录并显示试样断裂所吸收的冲击功（KV₂或KU₂）。

6. 断后试样收集与检查： 收集断裂后的两半试样。首先检查试样是否完全断裂（未完全断裂的数据可能无效）。然后进行：

* 断口形貌观察与纤维断面率/结晶状断面率评估（目测或借助放大工具）。 * 使用侧膨胀量规测量并记录侧膨胀值（LE）。

7. 数据处理与报告： 对同一组（通常3个）有效试样的冲击吸收功计算平均值、单个值；记录断口形貌特征和侧膨胀值；绘制冲击功-温度曲线（用于确定韧脆转变温度）。试验报告应包含试样信息、试验温度、冲击功（单值和平均值）、断口形貌描述/纤维断面率、侧膨胀值（如要求）、试验标准等信息。

8. （可选）反向起摆试验： 用于校验试验机的空打摩擦损失。在不放试样的情况下进行冲击，记录指针指示的能量损失（应小于标准允许的最大值）。

检测标准

夏比冲击试验的进行必须严格遵循国际、国家或行业标准，确保结果的可靠性和可比性。主要标准包括：

1. 国际标准 (ISO):

* ISO 148-1: Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method (规定了试验方法、试样、程序等核心内容)。 * ISO 148-2: Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 2: Verification of pendulum impact testing machines (