夏比沖擊試驗(yàn)中測定的沖擊吸收功缺乏明確的物理意義，不能作為表征金屬材料實(shí)際抵抗沖擊載荷能力的判據(jù)，但因試樣的加工工藝簡單，且試驗(yàn)時間短，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對材料的組織結(jié)構(gòu)、缺陷等敏感，夏比沖擊試驗(yàn)成為評價金屬材料沖擊韌性應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。

沖擊試驗(yàn)主要以手動式為主，其操作過程為：將試樣按順序排列→放入低溫裝置中→設(shè)置低溫裝置溫度→降溫、保溫→利用對中鉗將試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)砧座上→手動控制試驗(yàn)機(jī)完成放錘沖擊→記錄沖擊試驗(yàn)結(jié)果。傳統(tǒng)手動式?jīng)_擊試驗(yàn)有以下幾個特點(diǎn)。

(1) 制冷方式多樣化，不僅可以采用物理法，還可以采用機(jī)械法。前者選擇乙醇、汽油、烷烴等有機(jī)溶劑為低溫介質(zhì)，干冰、液氮等為冷卻劑，冷卻劑揮發(fā)時吸收熱量，從而達(dá)到冷卻介質(zhì)的效果，只要選擇合適的介質(zhì)與冷卻劑，就可以達(dá)到最低-140℃的低溫環(huán)境；后者一般采用無水乙醇為介質(zhì)，利用壓縮機(jī)原理來制冷，該方法調(diào)節(jié)方便、制冷迅速、溫度穩(wěn)定性好，但一般最低只能達(dá)到-80℃的低溫環(huán)境。

(2) 試樣數(shù)量靈活、尺寸規(guī)格多樣化。手動式?jīng)_擊試驗(yàn)也存在一些問題：① 雖然人工操作便捷、迅速，但實(shí)際操作中，不可避免地會發(fā)生人為因素導(dǎo)致部分試樣無法嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行試驗(yàn)的問題；② 從取出試樣至完成沖擊試驗(yàn)的整個過程中，試驗(yàn)時間會有偏差，在一定程度上會影響試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性；③ 對中鉗放置在沖擊支座間，兩者會有間隙，采用人工放置試樣的方式進(jìn)行對中不太精確；④ 人工記錄試驗(yàn)結(jié)果時,無法完全避免登記錯誤。

隨著自動化、信息化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，近十幾年來，沖擊試驗(yàn)方法發(fā)展很快，自動化沖擊試驗(yàn)機(jī)也越來越多地應(yīng)用在鋼廠、檢測機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。來自中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所的徐魁龍、張聰毅等研究人員對目前市面上常見的兩類自動化沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了對比，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，測試了液化天然氣(LNG)儲罐用鋼的沖擊性能。

01 推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)

推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)的工作原理為：將試樣裝入可拆卸試樣架上，試驗(yàn)機(jī)啟動后，自動送樣系統(tǒng)的氣缸將試樣架上的試樣逐個推入低溫裝置內(nèi)，待試樣完成降溫、保溫后，由另外一組氣缸將試樣送至試驗(yàn)機(jī)砧座上，試驗(yàn)機(jī)自動完成放擺沖擊，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。整個試驗(yàn)過程由微機(jī)發(fā)出指令，無需人員介入。

除了全程可自動化控制外，推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)勢在于其冷卻系統(tǒng)。該裝置的低溫室分為兩半，中間夾層為試樣空間，上下兩層均由熱傳導(dǎo)較快的紫銅板制成，紫銅板中開蛇形管道，冷卻劑通過蛇形管道時吸收熱量，從而達(dá)到冷卻低溫室中試樣的目的。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可保證低溫室中溫度的穩(wěn)定性，由于采用的冷卻介質(zhì)是空氣，其不會在低溫下凝固，因此能夠獲得較低的試驗(yàn)溫度，采用合適的冷卻劑最低可達(dá)到-180℃，配合液氮環(huán)境，能夠滿足絕大部分材料的低溫沖擊試驗(yàn)需求。

受結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理的制約，推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)在使用過程中也常會發(fā)生如下一些問題。

(1) 容易出現(xiàn)試樣卡死現(xiàn)象。由于冷卻系統(tǒng)內(nèi)部濕度與環(huán)境濕度相同，如果空氣濕度較大，特別是夏季陰雨天氣，空氣中的水蒸氣在低溫室中凝結(jié)到試樣表面，容易出現(xiàn)試樣黏連或者凍到低溫室內(nèi)腔上的問題，導(dǎo)致試樣被卡死，從而影響試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行。

(2) 試驗(yàn)過程容易掉樣。試驗(yàn)過程中，通過氣缸將試樣從低溫室中送至試驗(yàn)機(jī)砧座上，為保證送樣速度，避免送樣時間過長而導(dǎo)致試驗(yàn)過程超過5s，需要將氣缸調(diào)節(jié)到合適的壓力。如果氣缸壓力不穩(wěn)，或者調(diào)試好壓力卻更換了試驗(yàn)材料，又或者更換了試樣尺寸，在送樣過程中均容易出現(xiàn)掉樣現(xiàn)象。

(3) 試樣精確定位難度增大。推桿式自動送樣系統(tǒng)采用端面定位的方式。一方面，按照GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的要求，將沖擊試樣缺口對稱面至試樣端部距離的公差控制為±0.165mm，比手動送樣的距離公差±0.42mm要嚴(yán)格很多；另一方面，如果試樣端面上的毛刺、沖擊試驗(yàn)機(jī)砧座上黏結(jié)的毛刺未被清除干凈，都會影響到試樣的定位精度。

(4) 試驗(yàn)效率較低。推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)效率較低，這主要有兩方面的原因：① 每次保溫的沖擊試樣數(shù)量一般不會超過40件，低溫室的空間尺寸較低溫槽等冷卻系統(tǒng)的容量要小很多；② 按照GB/T 229-2020標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果采用氣體方式進(jìn)行冷卻，試樣在規(guī)定溫度下的保溫時間不低于30min，而液體介質(zhì)中的保溫時間只要大于5min即可。推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。

02 智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)

智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)(見圖2)是基于視覺定位與多軸機(jī)器人來完成試樣的定位與送樣的，可實(shí)現(xiàn)沖擊試驗(yàn)全程無人值守。其工作原理為：機(jī)器人自動夾取料框，再將料框放入低溫槽中進(jìn)行冷卻，完成冷卻和保溫后，通過機(jī)器人的視覺系統(tǒng)完成試樣的定位、抓取與送樣，直至試驗(yàn)機(jī)完成放擺沖擊。

智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)相比于其他沖擊試驗(yàn)機(jī)有著明顯的優(yōu)勢，具體如下所述。

(1) 試驗(yàn)效率高。機(jī)器人不會疲勞，也不會因?yàn)槿藛T休息、就餐等而中斷工作，只要擺放好試樣，設(shè)定好程序，就可以連續(xù)作業(yè)直至所有試驗(yàn)完成，工作效率要遠(yuǎn)高于人工效率；另外，其低溫裝置一般為低溫槽，每次保溫試樣的數(shù)量可以超過100件，也可以由一套系統(tǒng)控制幾臺低溫槽，其試驗(yàn)效率可遠(yuǎn)高于推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)。

(2) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性小。張華偉等的統(tǒng)計結(jié)果表明，智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)得到的沖擊吸收能量分布區(qū)間更窄，離散程度更小，數(shù)據(jù)分布比較集中。這是因?yàn)椋孩?基于機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試樣的對中，能夠保證試樣在砧座上對中；② 工作中智能機(jī)器人不會疲勞，單個試樣的沖擊時間基本恒定，這保證了試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性。

(3) 智能機(jī)器人送樣可大幅減小操作人員的勞動強(qiáng)度，能夠提高工作的安全性；另外，智能系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動采集與上傳，避免人員記錄數(shù)據(jù)與上傳數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)錯誤。

目前，智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要通過壓縮機(jī)制冷乙醇來實(shí)現(xiàn)，為保證視覺機(jī)器人準(zhǔn)確地完成沖擊試樣缺口的識別與對中，需要保證冷卻介質(zhì)的清澈和透明，一般試驗(yàn)溫度不能低于-80℃。智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)更適合應(yīng)用于試樣數(shù)量比較多、試驗(yàn)溫度比較統(tǒng)一、溫度要求不低于-80℃的鋼廠中。

03 全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)在LNG儲罐用鋼上的應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

高錳奧氏體鋼具有價格低、低溫穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、低周疲勞性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，具有替代鋁合金、不銹鋼、9Ni鋼等LNG儲罐材料的潛力。其工作溫度為室溫(10~35℃)至-163℃，為保證使用的安全性，需要考察高錳奧氏體鋼在使用溫度下的低溫沖擊性能。以40mm厚的高錳奧氏體鋼為對象，按照GB/T 229—2020標(biāo)準(zhǔn)加工規(guī)格(長×寬×高)為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，分別采用手動式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)與推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與統(tǒng)計分析

由于冷卻方式不同，手動式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)的最低溫度為-140℃，較難實(shí)現(xiàn)溫度為-196~-140℃(液氮浸泡)；推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)的最低溫度為-180℃，較難實(shí)現(xiàn)溫度為-196~-180℃，但-196℃(液氮浸泡)可通過手動送樣實(shí)現(xiàn)。兩種沖擊試驗(yàn)機(jī)測試結(jié)果柱狀圖如圖3所示。從測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

(1) 推桿式全自動試驗(yàn)機(jī)可以覆蓋室溫至-180℃的所有溫度，配合手動式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)-196℃的沖擊試驗(yàn)，基本能夠滿足高于-196℃的沖擊試驗(yàn)需求。對于LNG儲罐用高錳鋼，現(xiàn)有的試驗(yàn)方法完全能夠滿足-163℃的使用環(huán)境。將兩種沖擊方式相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)LNG儲罐用高錳鋼在室溫至-196℃的沖擊試驗(yàn)，高錳鋼的沖擊吸收功-溫度曲線如圖4所示。

(2) 在試驗(yàn)前認(rèn)真檢驗(yàn)了沖擊試樣缺口對稱面至試樣端部距離的加工精度，均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020對自動送樣試驗(yàn)機(jī)的制備要求，且試驗(yàn)前認(rèn)真打磨掉了試樣端部的毛刺，保障了全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過程中試樣的對中性。由圖3可知，在相同溫度條件下，兩種試驗(yàn)機(jī)的測試結(jié)果無明顯差異，但手動式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測試結(jié)果的離散性略高于全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)。因?yàn)槿藛T的操作習(xí)慣不同、放置試樣位置的偏差以及每次送樣時間的不確定會影響手動式?jīng)_擊試驗(yàn)結(jié)果。使用全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)可消除因?yàn)槿藛T操作不穩(wěn)定導(dǎo)致的偏差，降低沖擊試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

04 結(jié)語

推桿式和智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但也有自身的局限性。雖然推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)效率較低，但是最低溫度可達(dá)-180℃。該試驗(yàn)機(jī)適用于材料的超低溫沖擊性能評價；智能機(jī)器人全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)的工作效率高，適用于批量大、溫度適中的鋼廠和第三方實(shí)驗(yàn)室。研究人員在材料研發(fā)過程中，將推桿式全自動沖擊試驗(yàn)機(jī)與手動式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)配合使用，滿足了絕大多數(shù)低溫沖擊試驗(yàn)的要求。