金属材料夏比摆锤冲击吸收能量表征在冲击载荷作用下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，可以用来评价材料对最大能量一次冲击载荷破坏的缺口敏感性，检验和控制材料的冶金及热加工质量。冲击性能是金属材料力学性能的一个重要指标，夏比V型缺口试样是测试材料冲击性能时较常用的试样形式之一。

夏比V型冲击试样的制备工艺复杂、工序多、效率低，加工质量难以控制，如何制备夏比V型冲击试样成了力学性能测试工作中的一个难点。试样加工要求遵守相应的标准，作为国内钢铁企业的质量检验试验室，为满足不同客户的需求，试样需要按照不同的冲击试验标准进行加工和测试，较为常用的标准有GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》等。不同标准对试样的加工精度及要求不同，因此按不同标准制备的试样会存在一定的差异，进而导致测试结果存在差别。为此，来自宝钢湛江钢铁有限公司的历妍和卢美娇两位研究人员对国内外标准中夏比V型冲击试样的加工要求和加工过程中存在的一些问题进行了对比分析，并对夏比V型冲击试样的批量加工工艺和加工质量控制方法提出了建议。

01、标准中对试样的要求

1.1术语和定义

夏比冲击试样的几何参数对冲击试验结果有一定的影响，国内外相关测试标准均对其做出了明确的规定。标准中试样的几何参数如图1所示，图中L为试样长度；W为试样开缺口面与其相对面之间的距离；B为与缺口轴线平行且垂直于高度方向的尺寸；A ，C表示试样的两个基准面，其中A指横向基准面，B指纵向基准面。

图1 夏比V型冲击试样几何参数示意图

为方便讨论，将GB/T 229—2007(下称国标)、ISO 148-1：2016(下称ISO标准)、ASTM E23：2018(下称ASTM 标准)、JIS Z2242：2018(下称JIS标准)中关于夏比V 型缺口冲击试样几何参数的要求列表进行比较，如表1所示。

表1 标准中试样的几何参数

由表1中各标准的几何参数名称对比可知，4个标准都将试样长度称为“长度L”,其他几何参数主要有两点差异。国标中将试样开缺口面与其相对面之间的距离称为“高度h”，而ISO标准、ASTM标准和JIS标准中均称为“宽度W ”；国标中将与缺口轴线平行且垂直于高度方向的尺寸称为“宽度w”，而ISO标准、ASTM标准和JIS标准中均称为“厚度B”，这个尺寸取自试样的轧制厚度，在试验室加工中为了便于操作人员的理解，常采用“厚度”来表示该参数，而国标中称“宽度”,容易混淆。各标准对其他几何参数如缺口角度和缺口底部高度等的命名方式相同。

1.2尺寸及允许偏差

不同标准对试样的加工精度及要求不同，因此对各尺寸精度的要求进行比较，结果如表2所示。

表2 标准中试样的加工精度

从表2可以看出，国标、ISO标准和JIS标准对几何参数的尺寸公差要求基本一致，而ASTM 标准对与缺口轴线平行且垂直于高度方向的尺寸、缺口角度、缺口底部高度、试样纵向面间夹角等尺寸公差限定更为严格，而对试样长度和缺口到端面的距离等尺寸公差要求相对宽松。

1.3表面粗糙度

对于试样加工面的表面粗糙度，国标、ISO 标准和JIS标准的要求基本一致，而ASTM 标准的要求较严格，缺口面和锤击面的表面粗糙度不大于2μm，厚度上下表面的粗糙度不大于4μm，如表2所示。

1.4试样标记

试样标记应远离缺口，不应标在与支座、砧座或摆锤刀刃接触的面上。ASTM 标准中的规定更为具体，标记只能放在以下位置:试样的两端面；试样在砧座上就位时,试样面向上的一侧；开缺口面的对面。同时，各个标准都规定试样任一侧上的标记都不应在缺口中心线10mm的范围内；试样标记应避免塑性变形和表面不连续性对冲击吸收能量试验结果的影响。

02、加工质量控制

2.1加工方法

冲击试样的加工方法可分为两种：一种是立铣-平面磨床-卧铣加工法,另一种是组合式加工中心加工法。

立铣-平面磨床-卧铣是传统的冲击试样加工方法，试样通过锯切(火焰切割或剪切)、铣削、磨削、开缺口等加工工序，最终达到尺寸和加工精度的要求，目前这种方法在企业中应用较广泛。

组合式加工中心加工法是将传统方法中独立加工的各道工序集中起来，用一台集成的数控设备去完成冲击试样的加工，这样既可以节省设备的占地面积又可以提高工作效率。该类设备主要用于中厚板冲击试样的加工,能够自动地完成试样加工的各个工序，包括试样的标记和开缺口，实现了加工过程的标准化、规范化，且冲击试样的一致性较好，尤其在加工量较大时，其优势更为明显。

2.2试样标记

ASTM 标准中规定试样标记可采用喷墨、激光、记号笔书写等方式。无论采用何种标记方式，都不应标记在与支座、砧座或摆锤刀刃接触的面上。

为了保证操作人员在试样保温和进行冲击试验的过程中都可以清晰辨识试样的标记，常标记在试样在砧座上就位时，试样面向上的一侧,如图2所示。

图2  试样标记方式

采用组合式加工中心加工法进行加工时， 可将试样标记作为一个自动化加工工序，采用激光法标记在试样的指定位置,如图2a)所示。由于试样在加工过程中的信息都被控制系统记录，故省略了传统加工工艺中每一道工序完成后的标记转移和补充工作，不仅提高了效率，也避免了人工标记时可能写错编号或标记不清晰的风险，图2b)为人工记号笔标记。

国标、ISO标准和JIS标准均要求试样标记应远离缺口，而ASTM标准明确规定：标记的位置不应在缺口中心线10mm的范围内。从而避免冲击断裂造成标记位置存在明显变形而无法追溯的情况，错误的标记位置如图3所示。

图3  错误的试样标记位置

2.3试样加工质量验收

钢铁产品通常有不同国家、不同行业的客户，而试验室需要满足不同客户的标准需求，因此对于试样加工的精度允许偏差往往更加严格，各项指标均需按照最严格的标准执行。研究表明：缺口底部高度和缺口角度对试样缺口敏感性的影响最大；试样开缺口面与其相对面之间的距离及与缺口轴线平行且垂直于高度方向的尺寸的影响次之，试样长度的影响最小。试样开缺口面与其相对面之间的距离、与缺口轴线平行且垂直于高度方向的尺寸、缺口角度的加工精度和表面粗糙度按照ASTM 标准的要求执行。对试样长度和缺口对称面到端部距离应严格控制，应根据冲击试验机的对中装置做出适合的规定,国标规定如采用自动定位装置保证试验机的冲击对中性,试样缺口对称面到端部的距离可以用±0.165mm代替±0.42mm。

相比传统加工方式只能采用按批抽检的方法对成品试样的质量进行检查，组合式加工中心加工法可以在程序设置中增加对试样尺寸精度和缺口精度的在线自动检测，这对试验室冲击试样加工质量的管控十分有利。这种便利尤其体现在对缺口的检测中，V型缺口的截面积不足1.7 mm2，因此对尺寸和形状要求比较严格，这些要素对获得正确的试验结果十分重要。而缺口的截面和尺寸偏差都很小，一般使用投影仪进行检查。将缺口形貌放大50倍，测试缺口根部半径、缺口深度和角度三要素的尺寸和偏差。这项工作目前仍依靠人工进行测试，费时费力，如果采用带有在线精度自动检测的组合式加工中心加工法，则可利用机械手和自动投影装置的配合作业轻松完成，实现对每件成品试样的精度检测，可以大幅度提高工作效率。与此同时，对试样加工精度的在线检测结果可及时反馈给加工系统，为加工刀具的状态监测和刀具补偿提供依据，通过及时调整设备参数,可以避免试样的批量加工不合格。

03、结论及建议

国内外冲击试验相关标准对于冲击试样的加工要求存在较大的差异。ISO标准、JIS标准和ASTM标准对冲击试样几何尺寸的名称、符号定义更为准确，在样坯切取和试样加工中不容易混淆。国标、ISO标准和JIS标准对试样机加工偏差的要求基本一致；ASTM 标准则对缺口角度、缺口底部高度、试样纵向面间夹角及与缺口轴线平行且垂直于高度方向的尺寸等尺寸要素的公差限定更为严格，而对试样长度和缺口到端面的距离等尺寸公差要求相对宽松。对于试样加工面的表面粗糙度，ASTM标准的要求较其他标准严格。在试样标记方面，ASTM标准的要求较其他标准更为具体和更具可操作性。

组合式加工中心加工法实现了加工过程的标准化、规范化，加工成品的一致性较好，在大批量冲击试样加工中，其加工效率高，设备占地面积小，并能很好地实现自动试样标记、加工精度的在线检测和管理，有利于试样加工质量的控制，是试验室冲击试样加工设备的发展趋势。

建议试验室在实际加工过程中，要注意满足不同标准的要求。为避免因加工不同精度的试样而频繁调整工艺参数，试验室应制定一套统一的加工工艺，且各项指标均应按照最严格的标准执行。

04、对GB/T 229—2007的修订建议

在GB/T 229—2007标准中,对试样宽度和厚度的定义与其他标准不同,在样坯切取和试样加工中容易混淆。建议国标中对术语和定义做如下修订：

(1) 宽度W ：带有缺口的面和与之相对的面之间的距离。

(2) 厚度B：与缺口平行且垂直于宽度方向的尺寸。