一种夏比V型缺口标准冲击试样的加工方法

摘要

本发明涉及力学性能测试领域，公开了一种夏比V型缺口标准冲击试样加工方法。采用高韧性钢板作为标样原料将其加工成宽度56mm、厚度10.5mm的毛坯料，用平面磨床对其外表面进行磨削，使表面粗糙度Ra≤1.6μm，沿长度方向分割成半成品；采用高精度光学曲线磨床在半成品中部按规定开V型缺口；接着将已经开好V型缺口的半成品沿长度方向每间隔11mm再次进行分切；用平面磨床将样品宽度最终加工为10mm±0.05mm。本发明所述方法制作的标样，其几何尺寸尤其是V型缺口部位的加工质量优于国标GB/T18658－2002的规定；外形公差特别是缺口对中性能够保持严格一致，为进一步减小标样能量波动范围创造了客观条件。

说明书

技术领域

本发明涉及力学性能测试领域，具体应用于摆锤式冲击试验机计量领域。

背景技术

冲击试验机是力学性能测试最频繁使用的通用设备，为保持试验机测量示值的准确性，试验机必须进行校验以确定设备的准确性符合相关要求。目前发达国家和国际标准化组织ISO都要求每年用冲击功标准偏差小于5％的V型缺口冲击标样来校验冲击试验机。实践证明冲击标样对于验证冲击机的精度是有效的，采用标样可以发现冲击机存在的各种问题：例如试验机支座间距偏大；试验机支座位置与摆锤打击中心偏离等；因此定期采用开V型缺口冲击标样校验冲击机是必要的。

美国早在上世纪60年代就提出用冲击标准样品校验冲击试验机，并由美国陆军研制出夏比V型缺口冲击标准样品进行试用，目前美国的冲击标准样品分低、高和超高等三个能量级，其标准偏差在2％～4％之间；法国20世纪90年代也批量制作出冲击功变异系数小于5％的V型缺口冲击标样，并制定标准要求用标样校验冲击试验机。在新修订的GB/T18658-2002《摆锤式冲击试验机检验用夏比缺口标准试样》和GB/T3808-2002《摆锤式冲击试验机的检验》中都明确规定需采用标准冲击试样来校准试验机。目前国内宝钢采用热轧低碳钢板制作了开V型缺口的内控冲击标样，该标样的实物水平变异系数小于3％，在实际应用中发挥了一定作用。但宝钢标样V型缺口部位的加工质量与国标GB/T18658-2002的规定尚存在一定差距，主要不足在于V型缺口的角度、外形和根部光洁度等指标不理想。

应该注意到：由于V型缺口试样在动态断裂时缺口根部的应力状态非常复杂，试样断裂时裂纹扩展路径的不确定性与试样自身组织的不均匀造成冲击功的波动范围较大，因此研制符合要求的V型缺口冲击标样存在较大技术难度。为满足技术要求，不仅要选择自身组织较为稳定的标样材料，与此同时尽量降低样本外形间的差异也是非常重要的，这其中V型缺口的加工质量极为关键。如果采用普通冲击试样的加工工艺(铣刀或拉刀)加工V型缺口难以确保加工质量满足GB/T18658-2002的要求，主要不足在于缺口的深度、角度、外形和根部光洁度等指标不理想，因此需要在标样的加工工艺上采取一些特殊措施。这在很大程度上增加了标样的加工成本，降低了加工效率。

为了避免V型缺口标样能量波动过大的缺点，简化制作工艺，近年来，国内钢铁研究总院也开发出了弧型(拱型)缺口冲击标准样品。但应注意到，弧型标样的冲击过程与普通冲击试样的日常检验方式并未保持严格一致，实际应用也表明该标样对某些设备缺陷缺乏足够的敏感性(如试样支座间距偏大、试样对中不良等)。另外在美国标准技术研究院(简称NIST)提供的指导性文件《Installing，Maintaining，and Verifying YourCharpy Impact Machine》明确指出：由于利用标样在检定过程中存在“补偿性误差”，即标样对设备的某些缺陷，如试样对中不良、锤头对中不良、摆臂弯曲等缺乏足够的敏感性，如果单纯依靠标准冲击能量值K_R对设备进行检定，其结果会偏于宽松。为了全面评价设备的工作状态，需要进行冲断试样的断后检查，在该文件中详细介绍了标样的断后检查项目。项目涉及砧座磨损(worn anvils)、试样对中不良(Off-CenterSpecimen)、锤头对中不良(Off-Center Striker)等诸多方面。可是由于弧型标样自身的特点，其在室温或低温条件下未能分离成独立的两部分，就无法对其进行“断后检查”，这也是阻碍弧形标样大规模推广使用的重要因素。

现有技术在实际应用中存在以下缺点：

1.目前国内采用的弧型标样严格意义上并不符合GB/T18658-2002的技术要求，该样品不仅在外形上不满足GB/T18658-2002的规定，更重要的是其在冲击过程中无法实现真正的断裂，从标样对中直至标样冲过钳口，标样与试验机两者之间的真实状态与日常工况存在明显差异。由于该标样主观上忽略了材料断裂对其自身和设备所造成的影响，造成了标样对某些设备缺陷，如试样支座间距偏大、试样对中不良、锤头对中不良等缺乏足够的敏感性，如果单纯依靠其对设备进行检定，其结果明显偏于宽松。更重要的是弧形标样无法分离成独立的两部分，就无法进行冲断试样的断后检查。

2.现有标样的能量级别覆盖不全，目前无论是国内或国外标样的最大能量级别在220J左右，冲击能量在300J左右的标样未见正式报道。随着国内外大能量摆锤冲击试验机(额定能量＞300J)的普遍应用，现有标样已经无法满足该类试验机间接检定的需要，急需开发出300J左右的标样来填补技术空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种夏比V型缺口标准冲击试样的加工方法，它具有采用高韧性材料作为标样加工原料，在其上按照GB/T18658-2002中规定开设了V型缺口，使标样对设备潜在缺陷的“敏感性”得以提高；利用高精度光学曲线磨床加工V型缺口，使缺口部位的加工质量大大优于GB/T18658-2002中的各项指标；调整了加工工序，采用先磨削半成品缺口再对半成品进行分割的工序，使得标样在外形公差特别是缺口对中性方面保持一致，从而将样本间的外形差异降到最低程度，为进一步减小标样能量波动范围创造客观条件的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种夏比V型缺口标准冲击试样的加工方法，其特征在于，按照下述步骤进行加工：

步骤一，采用高韧性钢板作为标样原料，首先将其加工成宽度56mm、厚度10.5mm的毛坯料，为保证后续加工精度，该毛坯料留有一定的加工余量；

步骤二，采用平面磨床对毛坯的四个外表面，即由厚度方向与长度方向构成的两个外表面及其由宽度方向与长度方向构成的两个外表面进行磨削加工，使毛坯各面的粗糙度R_a≤1.6μm，随后将加工好后的毛坯沿长度方向切割为厚度为10mm±0.05mm，宽度为55_-0.10^0.00mm的半成品；

步骤三，采用高精度光学曲线磨床在半成品的中部按照GB/T18658-2002中的规定开V型缺口，缺口处横截面高度为8mm±0.05mm，缺口角度为45°±1°，缺口底部曲率半径为0.25mm±0.025mm；缺口面上的表面粗糙度R_a≤1.6μm；

步骤四，将已经开好V型缺口的半成品再次沿长度方向每间隔11mm进行分切，分切好的半成品的宽度为10.5mm，厚度为10mm±0.05mm，长度为55_-0.10^0.00mm；

步骤五，将分切好的半成品采用平面磨床对其切割面进行磨削，使切割面的粗糙度R_a≤1.6μm，将样品宽度最终加工为10mm±0.05mm，这样分切好的半成品最终被加工为标样成品。

优选的加工方法为，按照下述步骤进行加工：

步骤一，采用高韧性洁净船板钢作为标样原材料。首先对其进行正火处理：加热温度为850℃～980℃，保温1～2小时后放置5个月以上进行人工时效后，加工成宽度为56mm～58mm，厚度为10.5mm～13mm的毛坯料，毛坯料留有2mm～3mm的加工余量；

步骤二，采用平面磨床对毛坯的四个外表面，即由厚度方向与长度方向构成的两个外表面及其由宽度方向与长度方向构成的两个外表面进行磨削加工，使毛坯各面的粗糙度R_a≤1.6μm，随后将加工好后的毛坯沿长度方向切割为厚度为10mm±0.05mm，宽度为55_-0.10^0.00mm的半成品；

步骤三，采用高精度光学曲线磨床在半成品的中部按照GB/T18658-2002中的规定开V型缺口，缺口处横截面高度为8mm±0.05mm，缺口角度为45°±1°，缺口底部曲率半径为0.25mm±0.025mm；缺口面上的表面粗糙度R_a≤1.6μm；

步骤四，将已经开好V型缺口的半成品再次沿长度方向每间隔11mm进行分切，分切好的半成品的宽度为10.5mm，厚度为10mm±0.05mm，长度为55_-0.10^0.00mm；

步骤五，将分切好的半成品采用平面磨床对其切割面进行磨削，使切割面的粗糙度R_a≤1.6μm，将样品宽度最终加工为10mm±0.05mm，这样分切好的半成品最终被加工为标样成品。

对上述加工方法的进一步优化为，步骤四为，将已经开好V型缺口的半成品采用线切割再次沿长度方向每间隔11mm进行分切，分切好的半成品宽度为10.5mm，厚度为10mm±0.05mm，长度为55_-0.10^0.00mm。

本发明的优点在于：

1.本发明加工出的标样严格按GB/T18658-2002中的规定开设了V型缺口，这样标样的使用方式与普通冲击试样的日常检验保持了严格一致；同时V型缺口标样自身对设备潜在缺陷的“敏感性”有所提高，特别是可利用低温下完全脆断成独立的两部分样品开展标样的断后检查，而断后检查可以很好的弥补标样敏感性欠佳的问题，从而使冲击试验机的评定工作更加全面和科学，这些方面明显比国内目前在用的弧型标样更具优势。

2.对于V型缺口的加工，国内目前的常规加工工艺通常是采用拉床或铣床进行，普遍存在缺口加工的深度、角度、外形和根部光洁度等指标不理想等问题，通过大型工具显微镜的实物检测表明该类样品的缺口部位技术指标无法满足GB/T18658-2002的要求。而本发明所提供的加工方法采用高精度光学曲线磨床加工标样V型缺口，缺口加工质量明显优于GB/T18658-2002的各项指标，这是常规加工工艺无法达到的。

3.在配合采用高精密光学曲线磨床的同时，本发明所提供的加工方法还对现有的加工工序做出了调整。采取先磨削样坯缺口，然后对样坯进行分割的工序，这样可以保证标样在外形公差特别是缺口对中性方面保持一致，从而将样本外形间的差异降到最低程度，为进一步减小标样的能量波动范围创造了客观条件。数据表明同批次标样的标准偏差可控制在3％以内。

4.利用高韧性的洁净船板钢作为标样材料，并对其进行正火处理，使材料自身在具有较佳均匀性的基础上有更好的稳定性。提供了一种能量级达300J的夏比V型缺口标准冲击试样的加工方法，能够加工出300J左右的冲击标样，填补了超高能量标样(能量级别≈300J)的国内外技术空白，实践证明即使经过半年的存放后，标样的能量值仍可稳定在298J±9J，标准偏差可控制在3％以内。

5.采用线切割的方式能够节约材质、降低加工难度。

通过本发明所制作出的标样均开设有V型缺口，其使用方式与普通冲击试样的日常检验保持严格一致，同时V型缺口标样自身对设备潜在缺陷的“敏感性”有所提高，并且可利用低温下完全脆断成独立的两部分样品开展标样的断后检查工作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为磨削加工的毛坯料侧视图。

图2为已开设V型缺口的半成品结构示意图。

图3为已开设V型缺口的半成品侧视图。

图4为I部放大图。

图5为将加工后的半成品进行分割的示意图。

其中，1-毛坯料，2-毛坯料宽度，3-毛坯料厚度，4-开设V型缺口的半成品，5-V型缺口，6-V型缺口深度，7-V型缺口角度，8-底部曲率半径，9-标样成品。

具体实施方式

首先，采用一种高韧性钢板作为标样原料，对于该标样原材料也可以通过下述方式制作：利用高韧性洁净船板钢作为标样原材料，对其进行正火处理：加热温度为850℃～980℃，保温1～2小时后放置5个月以上进行人工时效，对于加热温度，优选950℃，对于保温时间，优选1.5小时。这样可使材料自身具有较佳均匀性的基础上有更好的稳定性。实践证明即使经过半年的存放后，标样的能量值仍可稳定在300J左右，标样的标准偏差可控制在3％以内。

接下来，参照图1所示的磨削加工毛坯料侧视图，将正火处理后的标样材料加工为毛坯料。毛坯料1的原始尺寸为：宽度2为57mm，厚度3为12mm，长度不限，为确保标样后续的加工精度，该毛坯料应保留足够的加工余量，该加工余量为2mm。优选的为，加工出的毛坯料1的尺寸为：210mm(长度)×56mm(宽度2)×10.5mm(厚度3)，尺寸为56mm的方向，即毛坯料1的宽度2方向为船板母材轧制方向，此时，宽度2与厚度3方向均留有0.5mm左右的加工余量。

采用平面磨床对毛坯的4个外表面：厚度方向与长度方向构成的外表面，以及宽度方向与长度方向构成的外表面进行磨削加工，使毛坯各面的粗糙度R_a≤1.6μm，随后将加工好后的毛坯沿长度方向进行分割，使其成为厚度3为10mm±0.05mm，宽度2为55_-0.10^0.00mm的半成品4。

对于将毛坯分割成半成品的操作：当采用上述优选的长度尺寸为210mm时，将其沿210mm长度方向，平均分割成各70mm长的3块半成品4，该半成品4的尺寸为：70mm(长度)×55_-0.10^0.00mm(宽度)×10mm±0.05mm(厚度)。

参照图2所示开设V型缺口的半成品结构示意图、图3所示的开设V型缺口的毛坯料侧视图和图4所示的I部放大示意图，采用高精度光学曲线磨床对半成品4按照GB/T18658-2002中的规定开V型缺口5，将缺口的深度6保证在2mm±0.05mm(换算后缺口横截面高度为8mm±0.05mm)，缺口角度7为45°±1°，缺口底部曲率半径8为0.25mm±0.025mm；缺口面上的表面粗糙度R_a≤1.6μm。缺口加工质量需采用大型工具显微镜和粗糙度仪进行检查。

然后，按照图5将加工后的半成品进行分割的示意图，将已经开好V型缺口的半成品4采用线切割再次沿70mm长度方向每间隔11mm进行分切，分切好的半成品的宽度为10.5mm，厚度为10mm±0.05mm，长度为55_-0.10^0.00mm。

最后，将分切好的半成品采用平面磨床对其切割面进行磨削，使切割面的粗糙度R_a≤1.6μm，此时标样最后两个外表面也在此步骤中进行了加工(其余各面在步骤二和步骤三中已完成)。标样宽度最终被加工为10mm±0.05mm，至此标样完成了所有加工步骤。

应当说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。