張文云

（晉中市綜合檢驗(yàn)檢測中心 山西晉中030600）

1 前言

近年來，擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)在軍用與民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該實(shí)驗(yàn)根據(jù)沖擊過程中形成的沖擊負(fù)荷，可以對計(jì)量檢測樣本的安全性與可靠性進(jìn)行分析，同時(shí)可以對樣本高速狀態(tài)下的抗斷裂性能進(jìn)行判定。擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)在對金屬材料與非金屬材料進(jìn)行檢驗(yàn)測定時(shí)都可以取得良好效果，JJG145--2007《擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》中提出直接檢定與間接檢定，其中直接檢定根據(jù)部件長度與力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測定，間接檢定根據(jù)試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行判定。隨著擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)的發(fā)展，各行業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ錅y定精度不斷提出新的要求，因此需要從多方面入手，保證計(jì)量檢測結(jié)果。本文將擺錘沖擊試樣作為研究對象，對夏比V型缺口試樣與弧形試樣進(jìn)行對比，對計(jì)量檢驗(yàn)工作的順利開展具有重要意義。

2 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)利用力學(xué)方式，對金屬材料的性能進(jìn)行檢驗(yàn)，以此來判定金屬材料的應(yīng)用強(qiáng)度，例如對汽輪機(jī)、管道、橋梁、船舶等設(shè)備進(jìn)行脆性斷裂事故的防治[1]。目前我國在開展擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)時(shí)，使用的計(jì)量器具有標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、沖擊能國家基準(zhǔn)等，其中沖擊能國家基準(zhǔn)通過定度的方式將沖擊能量值傳遞到標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，再利用工作計(jì)量器具進(jìn)行量值傳遞，以此保證沖擊試驗(yàn)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性[2]。

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)是一種瞬間動(dòng)態(tài)過程，根據(jù)沖擊試驗(yàn)中樣品產(chǎn)生的沖擊能量進(jìn)行計(jì)算，以此來判定檢測樣品的抗沖擊能力，計(jì)算公式如下：

上述公式中，將Ew設(shè)定為沖擊試驗(yàn)中所消耗整體沖擊能量；將E1設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)樣品產(chǎn)生斷裂與變形時(shí)所消耗的沖擊能量；將E2設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)樣品受到外界摩擦所消耗的沖擊能量，將E3設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)樣品產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng)所消耗的沖擊能力，將E4設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)樣品的擺桿與刀刃等裝置發(fā)生變化時(shí)所消耗的沖擊能力，其中E1、E3與E4無法通過直接檢定方式得到準(zhǔn)確量值，需要采用沖擊試驗(yàn)方式，根據(jù)JJG145-2007《擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)》中的闡述，當(dāng)擺錘式?jīng)_擊的外界試驗(yàn)環(huán)境不同時(shí)，采用夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣與弧形標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣所取得的檢測結(jié)果也存在差異，在多數(shù)計(jì)量檢測工作中，2種沖擊試樣的測定結(jié)果都存在較大差異。因此，需要針對2種沖擊試樣展開全方位的分析，這樣才能保證計(jì)量檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

3 擺錘式?jīng)_擊標(biāo)準(zhǔn)樣品的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為保證本次試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究中利用4種能量級別的V型缺口試樣與弧形試樣的測定結(jié)果進(jìn)行對比，并且制定如下試驗(yàn)方案：

（1）方案一，保證實(shí)驗(yàn)中的地基基礎(chǔ)數(shù)值相同，選擇2臺結(jié)構(gòu)相同的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，分別對300J與750J的量程展開試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)環(huán)境對4種能量級別的V型缺口試樣與弧形試樣進(jìn)行測試；

（2）方案二，選擇2臺結(jié)構(gòu)形式相同的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，將試驗(yàn)機(jī)的量程設(shè)定為300J，在試驗(yàn)過程中對地基基礎(chǔ)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，在這種環(huán)境下對4種能量級別的V型缺口試樣與弧形試樣進(jìn)行測試；

（3）方案三，將擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的量程設(shè)定為300J，同時(shí)選定120J的V型缺口試樣與弧形試樣，借助不同廠家的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，具體為M廠與N廠的沖擊試驗(yàn)機(jī)；

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)研究中，選擇國內(nèi)市場中應(yīng)用率較高的擺錘沖擊機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，具體為N廠家所生產(chǎn)的300J試驗(yàn)機(jī)、750J試驗(yàn)機(jī)，以及M廠家生產(chǎn)的300J試驗(yàn)機(jī)，具體情況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣

本次試驗(yàn)研究中，選擇低、中、高、超這四個(gè)能量級別的沖擊試樣，通過對V型缺口試樣與弧形試樣的量程數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，利用定性分析法對檢驗(yàn)測定結(jié)果展開分析，在定度過程中遵循JJG145-2007的相關(guān)要求，具體能量值情況如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣

3.4 試驗(yàn)方法

本研究根據(jù)JJG145—2007《擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)》中的規(guī)定與要求展開工作。

4 擺錘式?jīng)_擊標(biāo)準(zhǔn)樣品的試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 方案一的對比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案一為保證地基基礎(chǔ)數(shù)值相同，采用不同量程的沖擊試驗(yàn)機(jī)對2種試樣展開測試，具體結(jié)果如圖1與圖2所示。

圖1 N廠300J沖擊試驗(yàn)機(jī)測試誤差對比

圖2 N廠750J沖擊試驗(yàn)機(jī)測試誤差對比

根據(jù)方案一的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用夏比V型缺口試樣與300J沖擊試驗(yàn)機(jī)相結(jié)合時(shí)，不同能量級的測量結(jié)果均為正向偏差；采用夏比V型缺口試樣與750J沖擊試驗(yàn)機(jī)相結(jié)合時(shí)，可以有效將試驗(yàn)機(jī)的示值偏差控制在一定范圍內(nèi)。此外采用弧形缺口試樣與2種能量機(jī)的沖擊試驗(yàn)機(jī)相結(jié)合時(shí)，各級能量的檢測結(jié)果偏差數(shù)值較小，檢測剛性較低的沖擊試驗(yàn)機(jī)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出大量的負(fù)向偏差，反之檢測剛性較高的沖擊試驗(yàn)機(jī)時(shí)，中級能量級與高級能量級會(huì)呈現(xiàn)出一定范圍的正向偏差。

4.2 方案二的對比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案二為保證擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)與沖擊試樣相同，針對不同地基基礎(chǔ)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，因此選擇實(shí)驗(yàn)室A與實(shí)驗(yàn)室B，其中實(shí)驗(yàn)室A在針對M廠300J擺錘式?jīng)_擊機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測定時(shí)，采用水泥地基與設(shè)備基座相結(jié)合，而實(shí)驗(yàn)B在針對M廠300J擺錘式?jīng)_擊機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測定時(shí)，沒有布置地基情況，僅采用簡單的地腳螺栓進(jìn)行固定，因此可以判定實(shí)驗(yàn)室A要比實(shí)驗(yàn)室B具有良好的地基基礎(chǔ)情況，沖擊試驗(yàn)測試對比結(jié)果如圖3與圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室A中M廠300J沖擊試驗(yàn)機(jī)測試誤差對比

圖4 實(shí)驗(yàn)室B中M廠300J沖擊試驗(yàn)機(jī)測試誤差對比

根據(jù)圖3與圖4的試驗(yàn)結(jié)果能夠看出，當(dāng)采用夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行檢驗(yàn)測試時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室B的地基基礎(chǔ)情況較差，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果中低能量與高能量的示值誤差較大，而且示值誤差無變化規(guī)律，在試驗(yàn)過程中會(huì)體現(xiàn)出較大的波動(dòng)。借助實(shí)驗(yàn)室A進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，由于具備良好的地基基礎(chǔ)情況，因此檢測結(jié)果中低能量與高能量的示值誤差較小，并且示值誤差的變化過程可以體現(xiàn)出一定的規(guī)律性。但是，當(dāng)采用弧形標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室A與實(shí)驗(yàn)室B中得到的檢測結(jié)果大致相同，而且示值偏差不大。

4.3 方案三的對比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案三為將擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的量程設(shè)定為300J，選定120J的V型缺口試樣與弧形試樣，借助不同廠家的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，沖擊試驗(yàn)對比結(jié)果如表3所示，通過對M廠與N廠生產(chǎn)的擺錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測，進(jìn)而得到儀器化實(shí)驗(yàn)過程中的曲線屈服數(shù)值與最大力數(shù)值。

表3 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測試結(jié)果

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果能夠看出，采用夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測試，擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的瞬間沖擊能量約為24 kN，而采用弧形標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測試，擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的瞬間沖擊能量約為6 kN，2種沖擊試樣所產(chǎn)生的沖擊數(shù)值差距較大，這也說明沖擊試驗(yàn)機(jī)的測試系統(tǒng)會(huì)對沖擊力的測量效果造成明顯的影響。同時(shí)，沖擊試驗(yàn)機(jī)的沖擊曲線符合國標(biāo)中F類沖擊曲線類型，采用夏比V型號缺口試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，如果試樣沒有出現(xiàn)斷裂情況，則試驗(yàn)機(jī)測試曲線中不會(huì)出現(xiàn)裂紋技術(shù)標(biāo)志，而采用弧形試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試樣沒有出現(xiàn)斷裂情況，試驗(yàn)機(jī)測試曲線中也會(huì)出現(xiàn)裂紋結(jié)束標(biāo)志。

通過對3種沖擊試驗(yàn)方案所取得的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以了解到試驗(yàn)中夏比V型缺口試樣產(chǎn)生的沖擊能量遠(yuǎn)大于弧形試樣所產(chǎn)生的沖擊能量，因此選擇夏比V型缺口試樣進(jìn)行擺錘式?jīng)_擊間接檢驗(yàn)，可以對擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的地基牢固程度、整體剛性以及儀器化沖擊試驗(yàn)動(dòng)態(tài)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確判定，進(jìn)而使計(jì)量檢測工作的結(jié)果更具準(zhǔn)確性與可靠性。

5 標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣品的應(yīng)用研究展望

當(dāng)前多行業(yè)領(lǐng)域在針對材料結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行測試時(shí)，普遍采用擺錘式抗沖擊試驗(yàn)，根據(jù)沖擊能值與沖擊強(qiáng)度之間的關(guān)系來判定材料樣本的真實(shí)抗沖擊能力，在此過程中標(biāo)準(zhǔn)樣品是傳遞量值的重要媒介，其自身的應(yīng)用質(zhì)量會(huì)直接影響到計(jì)量檢驗(yàn)工作的準(zhǔn)確性[4]。因此，在今后的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的研究工作中，還需要針對沖擊試樣的應(yīng)用效果提出更明確的要求，這也說明標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣會(huì)迎來重要的發(fā)展階段，具體如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣品目前主要以金屬材料為主，在今后的研究中會(huì)逐步向高分子材料與非金屬材料進(jìn)行轉(zhuǎn)變，在此過程中不僅要保證金屬材料的整體剛性，還要從應(yīng)用質(zhì)量與使用壽命等方面進(jìn)行強(qiáng)化，這樣才能保證沖擊試樣的長久品質(zhì)。同時(shí)還要從基體匹配與性能匹配方面入手，例如，不同廠家生產(chǎn)的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)在與不同材質(zhì)的沖擊試樣相結(jié)合時(shí)，要根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行搭配，通過對測試誤差結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以結(jié)合誤差浮動(dòng)情況來判定搭配方案的可靠性，從而為新型沖擊試樣材料的研究提供保障[5]。

（2）在今后的研究工作中還要強(qiáng)化沖擊試驗(yàn)樣品的應(yīng)用范圍，除了用于擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)，還要針對試驗(yàn)方法驗(yàn)證與材料賦值等方面進(jìn)行拓展，以此來有效滿足復(fù)雜多元的市場需求。例如在汽車與電子電器行業(yè)飛速發(fā)展的背景下，高能量級的沖擊試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用市場逐漸縮小，這時(shí)需要針對低能量級的沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行深入研發(fā)，以此來彌補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的空白，對高新技術(shù)制造行業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量提供助力[6]。在此過程中，要以非金屬?zèng)_擊樣品的穩(wěn)定性與均勻性為研究目標(biāo)，通過對非金屬?zèng)_擊樣品的綜合性能進(jìn)行提升，以此促進(jìn)其在不同沖擊試驗(yàn)環(huán)境中的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定度。尤其是以非金屬材料為基體的低沖擊能或超低沖擊能標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的研究和應(yīng)用，需要對該研究領(lǐng)域進(jìn)行持續(xù)深入研究，從本質(zhì)層面提升計(jì)量檢測工作的準(zhǔn)確性，同時(shí)為我國乃至全球的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)、生活等各個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)發(fā)展提供技術(shù)保障。

6 結(jié)論

綜上所述，本文針對標(biāo)準(zhǔn)樣品在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)計(jì)量檢測中的應(yīng)用問題展開研究，通過對標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的選用結(jié)果進(jìn)行對比分析，以此來判定不同沖擊試樣對計(jì)量檢測工作的影響。首先對擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行概述，其次選擇夏比V型缺口沖擊試樣與弧形沖擊試樣，利用不同廠家生產(chǎn)的不同能量級的沖擊機(jī)，在不同地基基礎(chǔ)情況下對測試對比誤差展開分析，最后對3種試驗(yàn)方案的結(jié)果展開分析，具體研究結(jié)果如下：通過對3種沖擊試驗(yàn)方案所取得的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以了解到試驗(yàn)中夏比V型缺口試樣產(chǎn)生的沖擊能量遠(yuǎn)大于弧形試樣所產(chǎn)生的沖擊能量，因此選擇夏比V型缺口試樣進(jìn)行擺錘式?jīng)_擊間接檢驗(yàn)，可以對擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的地基牢固程度、整體剛性以及儀器化沖擊試驗(yàn)動(dòng)態(tài)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確判定，進(jìn)而使計(jì)量檢測工作的結(jié)果更具準(zhǔn)確性與可靠性。此外，在今后的工作還要進(jìn)一步對標(biāo)準(zhǔn)樣品展開研究，對計(jì)量檢測工作提供穩(wěn)固助力。