冲击试样顶针孔及其深度对冲击吸收能量的影响

(马鞍山钢铁股份有限公司 检测中心物理站, 马鞍山 243000)

特钢产品中规格为φ(16～30) mm的42CrMo钢、55Cr3钢、20CrMnTiH3钢、40Cr钢等热轧圆棒产品尺寸较小，将其加工成尺寸为55 mm×10 mm×10 mm的冲击试样较困难。棒材冲击试样的加工工艺[1]为：锯切样坯→刨床初加工→铣削→开缺口。该工艺加工效率较低，加工小尺寸特钢产品时，在锯切样坯和刨床初加工时存在一定难度。为此，笔者采用某生产厂家针对上述问题设计的新型棒材拉伸-冲击标准试样加工中心，去除原工艺中锯切样坯和刨床初加工的步骤，实现了冲击试样的一步加工成型，节省了大量的工序，提高了加工效率。此外，采用新型棒材拉伸-冲击标准试样加工中心时，为保持冲击试样的对中性和固定性，需要在试样的一端钻顶针孔[2]，笔者研究了顶针孔及其深度对冲击试样冲击吸收能量的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

采用传统工艺用GB4240型锯床在42CrMo钢和Q235H钢样坯上分别锯切出尺寸为55 mm×15 mm×15 mm的6组(每组3个)样块，使用BS6065型刨床对样块进行初加工成形，使用HGCJ-100BJ型冲击加工中心铣削开V型缺口，缺口底部高度为8 mm，分别得到6组尺寸为55 mm×10 mm×10 mm的冲击试样[3]。其中：将42CrMo钢冲击试样分别编号为A1，A2，A3，A4，A5，A6；将Q235H钢冲击试样分别编号为B1，B2，B3，B4，B5，B6。

采用HGCJ-20型棒材拉伸-冲击试样加工中心(以下简称为新型加工中心)在42CrMo钢和Q235H钢样坯上分别一步加工出6，18组(每组3个)冲击试样，试样的规格尺寸与采用传统工艺流程得到试样的相同。各取6组42CrMo钢和Q235H钢冲击试样，采用Z525型立式钻床在试样一端钻孔深为5 mm，孔径为3 mm的顶针孔，分别编号为C1,C2,C3,C4,C5,C6和D1,D2,D3,D4,D5,D6；另取12组Q235H钢冲击试样，按每3组为1份共分成4份，其中1份不钻顶针孔，该份3组试样分别编号为E1，E2，E3,其他3份分别采用Z525型立式钻床在试样一端钻孔深为8，9，10 mm，孔径为3 mm的顶针孔。其中，孔深为8 mm的3组试样分别编号为F1，F2，F3；孔深为9 mm的3组试样分别编号为G1，G2，G3；孔深为10 mm的3组试样分别编号为H1，H2，H3。

取钢研纳克冲击标准试样[4]6组(每组3个)，第1组标准试样不钻孔，采用Z525型立式钻床对第2～4组冲击标准试样钻孔深为5 mm，孔径为3 mm的顶针孔，对第5组冲击标准试样分别钻孔深为8.5，8.1，9.4 mm，孔径为3 mm的顶针孔，对第6组冲击标准试样分别钻孔深为9.5，10.3，10.4 mm，孔径为3 mm的顶针孔。

1.2 试验方法

按照GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，采用ZBC1501-BZ/2冲击试验机对冲击吸收能量为20.7，27.9 J的冲击标准试样进行室温冲击试验[5]，该冲击试验机的最大冲击吸收能量为50 J，载荷为68 N。采用ZBC2452-2型冲击试验机对除上述试样之外的冲击试样进行室温冲击试验，该冲击试验机的最大冲击吸收能量为300 J，载荷为215 N。

2 试验结果与讨论

2.1 冲击标准试样的比对

表1为冲击标准试样的冲击吸收能量分析结果，可见6组试样的实测值与标准值的偏差(简称为标准偏差)均符合ISO 148-3(2016)MetallicMaterials—CharpyPendulumImpactTest—Part3:PreparationandCharacterizationofCharpyV-notchTestPiecesforIndirectVerificationofPendulumImpactMachines和JJG 145—2007《摆锤式冲击试验机》中对标准偏差的要求(见表2)。此外，第1，2组冲击标准试样无论是否有顶针孔，其冲击吸收能量实测值和标准值的大小均不受影响；第3，4组冲击标准试样冲击吸收能量的实测值与标准值较接近；第5，6组冲击标准试样顶针孔深度达到9 mm后，试样冲击吸收能量的实测值出现显著下降，比标准值更低。综上所述，当顶针孔深度为5 mm时，冲击标准试样的冲击吸收能量实测值不受影响；当顶针孔深度不小于9 mm时，冲击标准试样的冲击吸收能量实测值会偏低。

2.2 冲击加工试样的比对

表3，4分别是采用传统工艺和新型加工中心加工的顶针孔深度为5 mm的42CrMo钢和Q235H钢冲击试样的冲击试验结果。由表3和表4可见，对于42CrMo钢和Q235H钢，采用新型加工中心加工的顶针孔深度为5 mm的冲击试样的冲击吸收能量实测平均值和采用传统工艺加工的冲击试样的一致，且测试结果较稳定。

表5是采用新型加工中心加工的不同顶针孔深度的Q235H钢冲击试样的冲击试验结果，结合表4可见，当冲击试样一端无顶针孔或顶针孔深度不大于8 mm时，冲击试样的冲击吸收能量实测平均值较稳定，在正常范围(110～120 J)波动；当顶针孔深度达到9 mm并高于该数值时，试样冲击吸收能量会普遍低于正常范围。

表1 不同冲击标准试样冲击吸收能量的分析结果Tab.1 Analysis results of impact absorption energy of different impact standard specimens J

表2 不同标准中标准冲击试样冲击吸收能量的标准偏差范围Tab.2 Standard deviation range of impact absorption energy of standard impact specimen in different standards J

表3 采用传统工艺加工的42CrMo钢和Q235H钢冲击 试样冲击试验结果Tab.3 Impact test results of 42CrMo and Q235H steel impact specimens processed by traditional technology J

3 结论

对于42CrMo钢和Q235H钢，采用新型加工中心加工的顶针孔深度为5 mm的冲击试样的冲击吸收能量实测平均值和采用传统工艺加工的冲击试样的一致，且测试结果较稳定。

表4 采用新型加工中心加工的顶针孔深度为5 mm 冲击试样的冲击试验结果Tab.4 Impact test results of impact specimen with pin hole depth of 5 mm processed by new machining center J

对于冲击标准试样和Q235H钢冲击加工试样，当冲击试样一端无顶针孔或顶针孔深度不大于8 mm时，冲击试样的冲击吸收能量实测平均值较稳定，在正常范围(110～120 J)波动；当顶针孔深度达到9 mm并高于该数值时，试样冲击吸收能量实测平均值普遍低于正常范围。

表5 采用新型加工中心加工的不同顶针孔深度的Q235H钢 冲击试样的冲击试验结果Tab.5 Impact test results of Q235H steel impact specimens with different pin hole depth processed by new machining center J