夏比冲击试验主要用于评价金属材料的冲击韧性，具有试验时间短、试样加工简便等优点，广泛应用于材料的力学性能测试中。冲击韧性是管道设计时需要考虑的重要指标之一。夏比冲击试验测定的参数包括冲击吸收能量、侧膨胀值和剪切断面率等，冲击吸收能量是指试样在一次冲击力作用下折断时所吸收的能量，侧膨胀值反映了材料抵抗应力断裂的能力。侧膨胀值的测量方法有图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪测量法等。剪切断面率是指塑性断面占试样断面总面积的百分比。冲击吸收能量通常作为考核材料低温韧性的主要指标，而侧向膨胀值也可在一些特殊场合单独作为韧性指标使用。HG/T 20585—2020 《钢制低温压力容器技术规范》及TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》新增了对抗拉强度大于630MPa的高强钢侧膨胀值的要求。
夏比冲击试验可以用来确定材料的韧-脆转变温度，该温度决定了材料的低温性能，是衡量材料韧-脆性转变倾向的重要指标，一般将冲击吸收能量低至正常值的50%~60%时的温度作为材料的韧-脆转变温度，或将试样纤维状断口面积占断口总面积50%的温度作为韧-脆转变温度。
研究人员以不同管线钢为研究对象，比较了图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪法测量侧膨胀值结果的差异，并对X80钢实心焊丝自动焊环焊缝中心进行不同温度的夏比冲击试验，分析了采用冲击吸收能量、剪切断面率、侧膨胀值测定韧-脆转变温度的一致性，并得到了环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值。
1、 试验过程及方法
1.1 测量侧膨胀值的方法
对X52M、X80M、X80HD钢进行不同温度(-100，-80，-60，-40，-20，0，20℃)的夏比冲击试验，冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm(长度×宽度×高度)。试验完成后，分别使用图像分析法、游标卡尺法、侧膨胀仪法测量试样的侧膨胀值(见图1)。
按照CNAS-GL02《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》和JJF1033—2016《计量标准考核规范》，对3种测量方法的准确度En进行计算，计算方法如式(1)所示。
1.2 管线钢韧-脆转变温度测定方式
分别对X52M、X80M、X80HD钢进行不同温度的夏比冲击试验，并绘制冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线。管线钢组织的均匀性好，断口解理区域与剪切区域的区分较明显。因此，首先用50%剪切断面率测定不同管线钢的韧-脆转变温度，然后分别采用冲击吸收能量、侧膨胀值分别测定管线钢的韧-脆转变温度，并与采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度相比较，以验证采用侧膨胀值测定韧-脆转变温度的准确性及稳定性。
1.3 环焊缝冲击试验
对X80钢实心焊丝自动焊环焊缝进行不同温度的夏比冲击试验,并绘制冲击吸收能量、剪切断面率、侧膨胀值与温度的关系曲线。
焊缝组织极不均匀,断面上的结晶状脆性区与纤维状韧性区不易区分，仅以剪切断面率测定的温度作为韧-脆转变温度会导致偏差较大。因此，采用冲击吸收能量、剪切断面率、侧膨胀值3种方法测定韧-脆转变温度后，对拟合曲线中的原始数据进行分析，确认韧-脆转变时对应的侧膨胀值是否具有一致性。
2、 试验结果与分析
2.1 侧膨胀值测量方法的对比
不同方法测量侧膨胀值的时间及准确度如表1所示。由表1可知：游标卡尺法测量用时最短，为30s，使用游标卡尺法可显著提高工作效率，侧膨胀值法所用时间为50s，图像法测量用时最长；3种方法的测量准确度均较好，其中侧膨胀值法的测量准确度最高。
综合考虑测量时间及准确度可知，对于韧性较好的材料，其侧膨胀值较大,推荐釆用游标卡尺法，可同时保证效率及准确度；对于韧性较差或韧性不均匀的材料，侧膨胀值小于1mm时，为保证测定准确度，推荐采用侧膨胀仪法；对于冲击断裂后发生扭曲的试样，可采用侧膨胀仪法。
2.2 管线钢韧-脆转变温度测定方式对比
不同管线钢冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线如图2所示，采用不同方式测定的韧-脆转变温度如表2所示。由图2和表2可知：采用冲击吸收能量测定的韧-脆转变温度与采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度差值为-0.2~2.1℃，采用侧膨胀值测定的韧-脆转变温度与采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度差值为±1.2℃。说明采用侧膨胀值测定金属材料的韧-脆转变温度的准确性和稳定性较好。
2.3 环焊缝韧-脆转变温度测试方法对比
环焊缝冲击吸收能量、侧膨胀值与温度的关系曲线如图3所示。采用不同方式测定的韧-脆转变温度及其对应的侧膨胀值如表3所示。由图3和表3可知：采用冲击吸收能量和侧膨胀值测定的韧-脆转变温度结果一致性较好，采用剪切断面率测定的韧-脆转变温度与前两种方法得到的结果相差较大；采用冲击吸收能量和侧膨胀值测定的韧-脆转变温度对应的侧膨胀值具有一致性，环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值为0.90mm。说明采用侧膨胀值确定焊缝中心韧-脆转变温度的方法准确度比较高。
3、 结论
(1)对于韧性较差、韧性不均匀的材料及冲击断裂后发生扭曲的试样，宜采用侧膨胀仪法测量其侧膨胀值。
(2)对于管线钢，采用侧膨胀值测定其韧-脆转变温度的准确性和稳定性较好。
(3)对于X80钢实心焊丝自动焊环焊缝，采用冲击吸收能量、侧膨胀值测定的焊缝中心韧-脆转变温度结果一致性较好，环焊缝韧-脆转变温度对应的侧膨胀值为0.90mm。
作者：夏培培，徐晓林，谷云龙，肖健，吴林恩，张莎莎
单位：中国石油天然气管道科学研究院有限公司 油气管道输送安全国家工程研究中心
来源：《理化检验-物理分册》2023年第9期
