宋 北，郭 梟，姜英龍，曹宇堃，王 博，楊昊泉

(哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 引言

壓力容器是具有潛在泄漏和爆炸危險(xiǎn)的承壓類(lèi)特種設(shè)備，量大面廣，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域和國(guó)防事業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。目前，對(duì)于低溫壓力容器，壓力容器規(guī)范要求依據(jù)基于強(qiáng)度的許用應(yīng)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為防止發(fā)生脆斷，要求材料及焊接接頭具有一定韌性[2]。對(duì)于壓力容器用鋼焊接接頭，其過(guò)熱區(qū)晶粒一般較為粗大且晶界和晶內(nèi)化學(xué)成分和組織非常不均勻，往往是焊接接頭甚至裝備的薄弱環(huán)節(jié)[3]。因此，在影響設(shè)備安全性的眾多因素中，設(shè)備用鋼及其焊接接頭的性能尤為重要[4]。在使用過(guò)程中，除要求有足夠的強(qiáng)度和塑性外，還要求有足夠的韌性[5-8]，如在服役條件下，斷裂韌性好的管線鋼管不至于突然發(fā)生脆性斷裂，從而使得管道安全得到保證[9]。夏比沖擊試驗(yàn)方法是評(píng)價(jià)材料韌性的重要手段之一，用于評(píng)定金屬材料及焊接接頭在沖擊載荷下的韌脆特性[10]。由于具有試樣小、易加工、試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)時(shí)間短和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，夏比沖擊試驗(yàn)方法廣泛用于科研和生產(chǎn)中，用以測(cè)定金屬材料的沖擊吸收能量[11]。但是，由于其在動(dòng)態(tài)力下進(jìn)行試驗(yàn)，影響夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和分散性的因素包括試樣尺寸、取樣位置、擺錘錘刃半徑等。相比于金屬材料，影響焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和分散性的因素更多，還包括了缺口在接頭微區(qū)的位置、組織的不均勻性等。

目前，國(guó)際及各國(guó)焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)均直接引用金屬材料夏比沖擊方法標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)現(xiàn)行夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T 229)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E23—2018《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASTM E23)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 148-1:2016《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗(yàn)-試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ISO 148-1)、日本標(biāo)準(zhǔn)為JIS Z 2242:2018《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)JIS Z 2242)。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于夏比沖擊試驗(yàn)的要求不盡相同，因而按照不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在一定的差異。本文結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)綜述焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)方法的研究現(xiàn)狀，并對(duì)進(jìn)一步提高和改進(jìn)焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行展望。

1 夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)背景介紹

沖擊載荷對(duì)材料的影響研究最早起源于1824年，研究學(xué)者討論了鑄鐵的沖擊力抵抗能力[12]。1849年，英國(guó)針對(duì)成立專(zhuān)門(mén)研究鐵路行業(yè)鑄鐵材料應(yīng)用的委員會(huì)，開(kāi)始考慮沖擊試驗(yàn)[13]。1857年，RODMAN設(shè)計(jì)了落錘試驗(yàn)設(shè)備用來(lái)檢測(cè)槍鋼[14]，在隨后的30年里，該設(shè)備被廣泛應(yīng)用于鐵路用鋼及鋼制產(chǎn)品檢測(cè)。在1895～1922年，大量的國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織成立。1898年，RUSSELL[15]在報(bào)告中指出，目前還沒(méi)有儀器具備定量化功能，而不只是定性,因此設(shè)計(jì)并制造了大型擺錘試驗(yàn)機(jī)。1905年，CHARPY首次提出了與目前儀器設(shè)備較為接近的設(shè)計(jì)概念,當(dāng)時(shí)，沖擊試驗(yàn)主要包括三種：落錘試驗(yàn)、擺錘試驗(yàn)、Flywheel。1922～1933年，ASTM E-1試驗(yàn)方法委員會(huì)在1922年舉辦了材料沖擊試驗(yàn)專(zhuān)題研討會(huì)。1923年，ASTM開(kāi)始著手起草擺錘沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，直到1933年，ASTM正式發(fā)布了E23-33T金屬材料沖擊試驗(yàn)暫行方法[16]。1934年，ASTM對(duì)E23進(jìn)行了修訂與補(bǔ)充。由于在二戰(zhàn)期間，大量的艦船發(fā)生了失效斷裂事故，因此對(duì)制造及材料規(guī)范中的沖擊試驗(yàn)方法提出了迫切需求。1942～1946年，4 694支焊接艦船中有超過(guò)20%的出現(xiàn)了斷裂，這加速了沖擊試驗(yàn)方法的應(yīng)用[16]。自1948年至今，夏比沖擊試驗(yàn)方法在試樣尺寸、擺錘錘刃形狀及尺寸、試樣與試驗(yàn)機(jī)支撐件間隙等多方面細(xì)節(jié)陸續(xù)得到了進(jìn)一步補(bǔ)充與完善，試驗(yàn)的合理性與科學(xué)性得到大幅度加強(qiáng)。

2 焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2.1 金屬材料夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

夏比沖擊試驗(yàn)方法方法標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用廣范，具體采標(biāo)情況和適用范圍見(jiàn)表1。目前，現(xiàn)行夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，GB/T 229—2020和JIS Z 2242:2018均修改采用ISO 148-1:2016，可見(jiàn)夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)主要分為ISO標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)兩大類(lèi)。其中ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)自1933年首次發(fā)布以來(lái)，分別于2002年、2005年、2006年、2012年、2016年、2018年進(jìn)行了修訂。ISO 148-1標(biāo)準(zhǔn)于自1983年首次發(fā)布以來(lái)，分別于2006年、2009年、2016年進(jìn)行了修訂。

2.1.2 夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)細(xì)節(jié)對(duì)比

夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)細(xì)節(jié)對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯觯琁SO 148-1與JIS Z 2242技術(shù)細(xì)節(jié)基本一致，而GB/T 229部分細(xì)節(jié)與ISO 148-1存在差異。為便于比較，主要對(duì)比分析GB/T 229，ISO 148-1，ASTM E23三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差異。

表2 夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)細(xì)節(jié)對(duì)比

在缺口形狀方面，相比ISO 148-1，GB/T 229增加了無(wú)缺口試樣類(lèi)型。ASTM E23規(guī)定了金屬粉末結(jié)構(gòu)材料用無(wú)缺口沖擊試驗(yàn)要求。在適用范圍方面，ASTM E23中除規(guī)定夏比沖擊試驗(yàn)要求，還規(guī)定了懸臂梁式?jīng)_擊試驗(yàn)要求。在試樣方面，ASTM E23除與其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相同的小尺寸試樣外，還增加了寬度為5.0 mm和3.0 mm及厚度為20 mm尺寸的試樣。在試驗(yàn)溫度方面，GB/T 229,ISO 148-1標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)溫度包括室溫、低溫以及高溫，對(duì)溫度的具體范圍未進(jìn)行明確規(guī)定，ASTM E23中規(guī)定適用試驗(yàn)溫度范圍下限為-196 ℃，且目前已經(jīng)安排項(xiàng)目開(kāi)展液氦和液氫溫度下不銹鋼的沖擊韌性試驗(yàn)研究。ASTM E23中規(guī)定溫度公差為±1 ℃，GB/T 229，ISO 148-1標(biāo)準(zhǔn)中溫度公差均為±2 ℃，相比較而言，ASTM E23規(guī)定更為嚴(yán)格。在試驗(yàn)結(jié)果方面，GB/T 229要求至少估讀到0.5 J或0.5個(gè)分度單位，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)至少保留兩位有效數(shù)字，其他標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果均無(wú)要求。GB/T 229，ISO 148-1標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定沖擊試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)，ASTM E23中還涵蓋了試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)要求。

2.1.3 夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)尺寸與偏差對(duì)比

夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)尺寸與偏差對(duì)比如表3所示。可以看出，與GB/T 229、ISO 148-1和JIS Z 2242相比，ASTM E23對(duì)于公差的要求更加嚴(yán)格，小尺寸試樣厚度為20,7.5,5,2.5 mm的公差分別為±0.075,±0.075,±0.050,±0.025 mm。試樣相鄰縱向面夾角公差要求為±0.17°，并對(duì)缺口中心線作出要求。相比于ISO 148-1標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 229將試樣相鄰縱向面夾角由±2°調(diào)整為±1°，這有助于提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表3 夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)尺寸與偏差對(duì)比

2.2 焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》、ISO 9016:2012《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn) 試樣位置、缺口方向和檢驗(yàn)方法》、AWS B4.0:2016《焊接機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM A370—20《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、JIS Z 3111:2005《熔敷金屬拉伸沖擊試驗(yàn)方法》。

GB/T 2650—2008等同采用ISO 9016:2001，規(guī)定了對(duì)接接頭沖擊試驗(yàn)的取樣和缺口方向等要求，適用于金屬材料熔化焊和壓焊接頭的沖擊試驗(yàn)。試樣的符號(hào)由表示試樣類(lèi)型、位置和缺口方向的字母以及表示缺口距參考線RL距離(單位為mm)的數(shù)字組成。第1個(gè)字母表示試樣類(lèi)型(U型、V型)，第2個(gè)字母表示缺口位置(焊縫、熱影響區(qū))，第3個(gè)字母表示缺口方向(平行于焊縫表面、垂直于焊縫表面)，第4個(gè)字母表示缺口中心線距參考線的距離，第5個(gè)字母表示試樣表面距焊縫表面的距離。ISO 9016:2012與2001版相比并無(wú)技術(shù)性差異。

AWS B4.0:2016中關(guān)于夏比沖擊試驗(yàn)方法，需要提供試樣類(lèi)型和數(shù)量、母材的規(guī)格/牌號(hào)、焊材的規(guī)格/牌號(hào)、要求值的最大值或最小值、試樣及缺口相對(duì)于焊縫或焊接方向的取樣位置和取向、接頭幾何形狀、試驗(yàn)溫度、焊后熱處理或機(jī)械處理等信息。

JIS Z 3111:2005與JIS Z 2242:2018相比，試樣寬度尺寸公差為±0.05 mm，雖然對(duì)試樣長(zhǎng)度的尺寸公差要求同為±0.6 mm，但是JIS Z 3111:2005中對(duì)于1/2試樣長(zhǎng)度尺寸公差要求為±0.4 mm，可見(jiàn)相比JIS Z 2242:2018，JIS Z 3111:2005對(duì)于公差的要求更加嚴(yán)格。JIS Z 3111:2005對(duì)于沖擊試驗(yàn)的溫度和沖擊吸收能量的值都有相應(yīng)要求,試驗(yàn)溫度為焊材的試驗(yàn)溫度，沖擊吸收能量如無(wú)特殊規(guī)定，應(yīng)為3個(gè)值的平均值。

對(duì)于夏比沖擊試驗(yàn)試樣數(shù)量的要求,各試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中均未作出要求，而在焊接材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于試樣數(shù)量的要求有相應(yīng)規(guī)定，要求測(cè)定5個(gè)沖擊試樣的沖擊吸收能量(KV2)。在計(jì)算5個(gè)沖擊吸收能量(KV2)的平均值時(shí)，應(yīng)去掉1個(gè)最大值和1個(gè)最小值。如果型號(hào)中附加了可選代號(hào)“U”，要求測(cè)定3個(gè)沖擊吸收能量(KV2)平均值。

相比于金屬材料，焊接接頭宏、微觀均為非均勻組織，以低合金鋼焊接接頭為例，至少包含了焊縫、部分熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、回火區(qū)等多個(gè)區(qū)域，不同的區(qū)域沖擊韌性存在顯著差異，而且即便同一區(qū)域內(nèi)，由于熱循環(huán)特征，微觀組織也呈梯度分布。眾多研究[17-19]指出，用于分析宏觀均質(zhì)材料脆性斷裂試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)中，曲線法不適用于宏觀非均質(zhì)材料。目前國(guó)際上有關(guān)斷裂韌度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，僅有英國(guó)的BS 7448(斷裂力學(xué)韌性試驗(yàn))提及熱影響區(qū)斷裂韌度的測(cè)試，但仍然缺乏具體的取樣手段和合格標(biāo)準(zhǔn)[20-21]。因此，相比于均質(zhì)的金屬材料，焊接接頭沖擊韌性試驗(yàn)影響因素更為復(fù)雜，斷裂理論及評(píng)價(jià)研究基礎(chǔ)更為薄弱。

3 夏比沖擊試驗(yàn)影響因素分析

由于焊接接頭組織具有宏、微觀組織非均質(zhì)的特點(diǎn)，其沖擊吸收能量受缺口取樣位置、缺口處微觀組織等多方面因素影響，影響機(jī)理十分復(fù)雜。目前，針對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)影響因素的研究多以金屬材料為主，基于金屬材料開(kāi)展的影響規(guī)律研究對(duì)于焊接接頭研究具有參考作用，下面將目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的夏比沖擊試驗(yàn)影響因素研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

3.1 試樣尺寸

不同的夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的試樣尺寸均為55 mm×10 mm×10 mm，如無(wú)特殊規(guī)定，小試樣厚度可為7.5,5,2.5 mm。GB/T 229中規(guī)定通過(guò)協(xié)議也可使用其他厚度試樣。GB/T 229,ISO 148-1及JIS Z 2242標(biāo)準(zhǔn)中均注明，只有采用形狀和尺寸均相同的試樣才可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行直接比較，ASTM E23中附錄A3規(guī)定，不同尺寸試樣得到的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行直接比較。標(biāo)準(zhǔn)中均提到不同尺寸試樣的結(jié)果不能直接比對(duì)，可見(jiàn)，試樣尺寸對(duì)沖擊吸收能量影響的復(fù)雜性。

曹聲駒[22]在-120～80 ℃的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)研究了不同試樣尺寸對(duì)沖擊吸收能量等效比值的影響，結(jié)果表明對(duì)于具有韌脆轉(zhuǎn)變特征的船用CCS H32D和10MnNiCrMoV鋼板而言，在上平臺(tái)區(qū)，小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收能量比值接近截面積比值，線性關(guān)系最為顯著；在下平臺(tái)區(qū)，二者差別很小，比值在1左右，甚至存在小尺寸沖擊吸收能量大于標(biāo)準(zhǔn)試樣的情況；在韌脆轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)，二者比值介于截面積比值與1之間。陳佳榮等[23]在-100～200 ℃的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)針對(duì)S355J2W 鋼板研究結(jié)果也表明，用小尺寸試樣測(cè)定沖擊吸收能量值，在下平臺(tái)區(qū)與試樣截面尺寸基本無(wú)關(guān)，在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)，用小尺寸試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)定的相同溫度下的沖擊吸收能量比值逐漸降低，到上平臺(tái)時(shí)，比值為試樣截面積的比值。黎智輝[24]的研究結(jié)果同樣表明，在下平臺(tái)完全脆性斷裂區(qū)，小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收能量相差不大，試樣尺寸對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果影響小。史紅兵等[11]的研究結(jié)果表明碳素鋼和低合金鋼及其焊接接頭的夏比V型缺口沖擊吸收能量與試樣尺寸之間存在顯著線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.986 4，這可能與其-50～25 ℃試驗(yàn)溫度范圍較高有關(guān)。邱曉剛等[25]指出在韌脆混合斷裂區(qū)，小尺寸試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功不能相互換算的根本原因是裂紋擴(kuò)展功隨試樣寬度的變化不成線性關(guān)系。

綜上所述，顯然試樣尺寸對(duì)夏比沖擊吸收能量會(huì)造成顯著影響，但具體影響規(guī)律與機(jī)制與試驗(yàn)溫度、斷裂模式等有關(guān)。目前，已有文獻(xiàn)研究結(jié)果普遍認(rèn)為，在上平臺(tái)區(qū)，試樣尺寸對(duì)沖擊吸收能量的影響呈顯著線性關(guān)系，在下平臺(tái)區(qū)，試樣尺寸對(duì)沖擊吸收能量無(wú)顯著影響，在韌脆轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)，影響介于二者之間。值得注意的是，試樣尺寸對(duì)沖擊吸收能量的影響十分復(fù)雜，具體影響取決于缺口處應(yīng)力拘束狀態(tài)、承載面積等多因素的耦合作用。如試樣尺寸(寬度或厚度)增大，一方面會(huì)增大承載的面積，有利于增大沖擊吸收能量；但是，與此同時(shí)隨著試樣尺寸的增大，尤其是厚度，會(huì)加劇缺口處的應(yīng)力集中程度，導(dǎo)致易于發(fā)生脆性斷裂，進(jìn)而減小沖擊吸收能量。對(duì)試樣尺寸變小，則相反。對(duì)于均質(zhì)金屬材料尚且如此；對(duì)于非均質(zhì)的焊接接頭，在確定考核指標(biāo)、比較結(jié)果等處理不同試樣尺寸的沖擊吸收能量關(guān)系時(shí)，應(yīng)慎之又慎。

3.2 擺錘錘刃半徑

夏比沖擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的擺錘錘刃半徑為2 mm和8 mm。ASTM E23要求使用錘刃半徑為8 mm擺錘，除非指定2 mm擺錘錘刃，二者對(duì)比見(jiàn)圖1。GB/T 229,ISO 148-1及JIS Z 2242標(biāo)準(zhǔn)中均注明，采用2 mm或8 mm的擺錘錘刃得到的試驗(yàn)結(jié)果可能有差異，ASTM E23中注明，對(duì)于某些材料擺錘錘刃半徑會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

圖1 不同擺錘錘刃半徑對(duì)比

LUCON[26]的研究結(jié)果表明，沖擊吸收能量在200 J以下，擺錘錘刃半徑對(duì)沖擊吸收能量的影響不大，二者關(guān)系呈高度線性關(guān)系，如下式：

KV2mm=1.009KV8mm+0.643R2=0.996

(1)

但沖擊吸收能量在200 J以上，在塑性變形、嚴(yán)重變形的試樣與擺錘兩側(cè)及端部接觸處相對(duì)尖銳的角的共同作用下，試樣和鐵砧相對(duì)多的摩擦等因素所致，8 mm擺錘錘刃半徑會(huì)導(dǎo)致更高的沖擊吸收能量，二者關(guān)系如下式：

KV2mm=130.27e0.002KV8mmR2=0.779

(2)

具體結(jié)果見(jiàn)圖2[26]。

圖2 2，8 mm擺錘錘刃半徑對(duì)不同沖擊吸收能量水平NIST校準(zhǔn)試樣的影響

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)在文獻(xiàn)中[27]指出,公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)一致認(rèn)為，在足夠高(大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為沖擊吸收能量在200 J)的沖擊吸收能量水平下，相比2，8 mm擺錘錘刃半徑會(huì)增大沖擊吸收能量，也有研究表明，在150～200 J，擺錘錘刃半徑的影響可以忽略。NANSTAD等[28]研究了2,8 mm擺錘錘刃半徑對(duì)3種沖擊吸收能量水平的NIST標(biāo)準(zhǔn)試樣的影響，結(jié)果表明，NIST標(biāo)準(zhǔn)試樣在16 J和102 J水平下，二者相當(dāng)，但在217 J水平下，2 mm的沖擊吸收能量低于8 mm約11%。也有研究[29]表明，2,8 mm擺錘錘刃半徑對(duì)20,67,105 J的沖擊吸收能量的影響，結(jié)果表明，能量水平越高，二者差異越大。

材料的沖擊吸收能量主要有彈性變形能量、塑性變形能力、撕裂變形能量三部分組成。于秀娥等[30]指出，相比較而言，8 mm擺錘錘刃半徑比2 mm擺錘錘刃半徑對(duì)試樣的接觸面積大，試樣中參與彈性變形和塑性變形的體積范圍更大，因此，在上平臺(tái)或過(guò)渡區(qū)，同一溫度下，8 mm擺錘錘刃半徑下沖擊吸收能量比2 mm更大，但這種差異隨著溫度的降低而逐漸降低。

選用不同半徑的擺錘錘刃可能會(huì)引起同一組試樣的沖擊結(jié)果不同，特別是低能量的沖擊試樣，2 mm擺錘錘刃半徑得到的結(jié)果可能高于8 mm擺錘錘刃半徑得到的結(jié)果。金鈺明等[31]研究結(jié)果表明，低、中、高能量的3種鋼材的對(duì)比試驗(yàn)都呈現(xiàn)出較為明顯的差異，但是該種差異在上、下平臺(tái)附近時(shí)逐步縮小。采用8 mm擺錘錘刃半徑測(cè)得的沖擊吸收能量要比采用2 mm 擺錘錘刃半徑測(cè)得的高。

藺衛(wèi)平等[32]針對(duì)X70管線鋼的研究表明，采用8 mm擺錘錘刃半徑時(shí)沖擊吸收能量比采用2 mm擺錘錘刃半徑高。沖擊能量水平越高，兩者的差值越大；隨著試驗(yàn)溫度的降低，差值逐漸變小。對(duì)于吸收能量較低的油套管，使用不同沖擊擺錘錘刃半徑對(duì)吸收能量的影響不明顯。張宏偉等[33]對(duì)擺錘錘刃半徑對(duì)核電用SA-508Gr.3Cl.1鋼和SA-182F216LN鋼沖擊吸收能量影響進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3[33]所示，圖中“國(guó)標(biāo)”、“美標(biāo)”分別對(duì)應(yīng)2 mm擺錘錘刃半徑、8 mm擺錘錘刃半徑。

圖3 擺錘錘刃半徑對(duì)沖擊吸收能量的影響

由圖3(a)可知，對(duì)于SA-508Gr.3Cl.1鋼，在-100～-40 ℃范圍，采用8 mm擺錘錘刃半徑時(shí)沖擊吸收能量與采用2 mm擺錘錘刃半徑基本一致，在-40～60 ℃范圍伴隨著溫度的升高，沖擊吸收能量水平的不斷提高，二者的差異越來(lái)越大，這種趨勢(shì)與LUCON等[27]的研究結(jié)論基本一致；對(duì)于圖3(b)的SA-182F216LN鋼，在-196～60 ℃范圍，沖擊吸收能量水平始終維持在300 J以上，因此采用8 mm擺錘錘刃半徑時(shí)沖擊吸收能量始終高于采用2 mm擺錘錘刃半徑。在-196～-80 ℃范圍內(nèi)，二者差值溫度的升高越來(lái)越大，這種趨勢(shì)同樣符合LUCON等[27]的研究結(jié)論。

綜上所述，擺錘錘刃半徑對(duì)沖擊吸收能量的影響因材料沖擊吸收能量水平、試驗(yàn)溫度不同，表現(xiàn)出不同的規(guī)律。對(duì)于高沖擊吸收能量水平的材料，在上平臺(tái)或過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)，同一溫度、8 mm擺錘錘刃半徑下，沖擊吸收能量比2 mm擺錘錘刃半徑更大，且材料沖擊吸收能量水平越高，兩者差值越大，但這種差異隨著溫度的降低而逐漸降低。對(duì)于低沖擊吸收能量水平的材料，二者差異不大。對(duì)于非均質(zhì)的焊接接頭，熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫等不同微區(qū)的沖擊吸收能量存在顯著差異，而在同一微區(qū)內(nèi)，組織也并不均勻，以熱影響區(qū)為例，由于不同位置經(jīng)歷的熱循環(huán)過(guò)程不同，晶粒尺寸、第二相等微觀組織會(huì)存在顯著差異，因此，在處理擺錘錘刃半徑對(duì)焊接接頭沖擊吸收能量的影響時(shí)，至少應(yīng)避免因取樣位置差異對(duì)結(jié)果造成的影響與干擾。

3.3 缺口尺寸

缺口的形狀和尺寸對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響十分明顯，缺口類(lèi)型或缺口深度不同時(shí)，由于應(yīng)力狀態(tài)不同而引起脆化傾向有不同的差異。有研究[34]表明，缺口根部半徑影響最大；缺口深度影響次之；缺口角度影響較弱。

(1)缺口根部半徑。

與缺口根部半徑相比，隨缺口根部尖銳度的增大，應(yīng)力集中趨于嚴(yán)重，沖擊吸收能量明顯下降；反之，當(dāng)缺口根部半徑增加時(shí)，沖擊吸收能量增加。沖擊吸收能量隨缺口深度的增加而降低[7，35-36]。

(2)缺口深度。

基于沖擊吸收能量的韌脆轉(zhuǎn)變溫度取決于缺口尺寸，尤其與缺口深度、缺口根部半徑密切相關(guān)。研究結(jié)果表明，缺口深度減小，會(huì)造成沖擊吸收能量增大，導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升。相比于缺口深度2 mm，深度為1.5,1 mm的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別上升70，90 ℃。缺口深度/根部半徑比值與應(yīng)力集中程度密切相關(guān)。上平臺(tái)能量?jī)H取決于缺口深度，這是由于上平臺(tái)能量主要取決于韌帶尺寸，因此在上平臺(tái)區(qū)，缺口形狀實(shí)際并不重要[37]。

3.4 加工方法

KOESTER等[38]研究了缺口加工方法對(duì)低沖擊吸收能量水平(15 J)、高沖擊吸收能量水平(94 J)的影響，結(jié)果表明,兩種類(lèi)型的缺口結(jié)果一致性良好，但均值存在微小差異，可能是由于二者加工的缺口在韌帶尺寸、缺口根部半徑、表面撕裂以及組織輕微變形差異造成。相比較而言，拉刀加工的缺口根部相對(duì)平整，具體見(jiàn)圖4[38]。

圖4 加工方法對(duì)缺口根部形貌的影響

FINK[39]的研究結(jié)果表明,在磨、拉、銑三種缺口加工方法中，磨削加工的缺口最為光滑，缺口橫截面一致性最好;拉床加工的缺口沖擊吸收能量相對(duì)低，這與其加工的表面粗糙度及表面撕裂有關(guān)；銑床加工缺口與磨床較為接近，沖擊吸收能量相對(duì)較高。盡管存在差異，但三種加工方法均在可接受的公差范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從目前國(guó)際及各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)基本按金屬材料夏比沖擊驗(yàn)方法執(zhí)行。相比較而言，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊試樣尺寸及公差等方面的要求更為嚴(yán)格，試驗(yàn)溫度范圍也更為明確。

(2)對(duì)于金屬材料，已經(jīng)開(kāi)展的研究表明，試樣尺寸、擺錘錘刃半徑及缺口尺寸等因素均對(duì)夏比沖擊吸收能量產(chǎn)生影響。與金屬材料相比，焊接接頭沖擊試驗(yàn)影響因素更多，也更為復(fù)雜，焊接行業(yè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)焊接接頭沖擊韌性試驗(yàn)基礎(chǔ)研究力度與規(guī)模，以滿(mǎn)足未來(lái)高端裝備制造需求。

(3)隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，以高能束焊接工藝為代表的先進(jìn)工藝焊接工藝應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相比于傳統(tǒng)弧焊焊接接頭，其接頭焊接熱影響區(qū)寬度更窄，組織不均勻性梯度更大，對(duì)于焊接接頭開(kāi)展適用于宏觀非均質(zhì)及微區(qū)的沖擊韌性測(cè)試方法的需求越來(lái)越迫切。與此同時(shí)，隨著儲(chǔ)能等新興產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，對(duì)液氦、液氫溫度的沖擊試驗(yàn)要求日益增多，開(kāi)展現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超低溫沖擊試驗(yàn)的適應(yīng)性研究十分必要。