夏比沖擊試驗的斷口定量評估

夏比沖擊試驗的斷口定量評估

沖擊試驗指調查向材料施加沖擊時的韌性（強韌程度）和脆性（易碎程度）的材料試驗。沖擊試驗有鐘擺式的夏比沖擊試驗、艾氏沖擊試驗、拉伸沖擊試驗、落球式的落球（落錘）沖擊試驗、杜邦沖擊試驗、落鏢沖擊試驗。其中，工業領域使用的是夏比沖擊試驗或艾氏沖擊試驗。
尤其是夏比沖擊試驗，對于核電站的發電裝置以及其它設備的配管等承受強沖擊和高壓力的部件材料來說，是非常需要的。
本頁面將說明夏比沖擊試驗的方法、試驗片的基礎知識、試驗結果評估。此外，還介紹試驗結果評估和使用光學顯微鏡存在的課題及其解決方法。

■何謂夏比沖擊試驗

夏比沖擊試驗是指，通過鐘擺式的擺錘向試驗片施加沖擊載荷進行破壞，根據破壞時的能量求出沖擊值，并評估材料的韌性和脆性的試驗。
若擺錘在破壞試驗片后向上擺動至較高角度，則意味著試驗片未能吸收沖擊。相反，若擺錘只向上擺動至較低角度，則說明試驗片吸收了較多沖擊。
吸收沖擊較多的試驗片的材料被評估為抗沖擊能力優秀。此外，如果規定了擺錘向上擺動的角度（規定值），則把實施試驗時擺錘實測角度不超過規定值作為試驗的合格標準。

■夏比沖擊試驗的評估

在夏比沖擊試驗中，需測量擺錘抬起角度，以及破壞試驗片后，擺錘因慣性向上擺動的角度。此外，破壞后的試驗片斷口殘留著顯示破壞情況的大量信息，也需要一并評估。

?夏比沖擊試驗的吸收能量評估

在夏比沖擊試驗中，需求出破壞試驗片所消耗的能量，即“吸收能量"。通過讀取最初設定的擺錘抬起角度以及擺錘在破壞試驗片后向相反側擺動的角度，可以求得這個值。以下是夏比沖擊試驗的示意圖，以及吸收能量和夏比沖擊試驗強度的計算公式。

＜計算公式＞
E＝WR(cosθβ－cosθα) －L
a=E/bh

E：吸收能量（J）

A：夏比沖擊值（kg?cm/cm2）

W：擺錘重量（N）

R：從擺錘旋轉軸中心到重心的距離（m）

θβ：試驗片斷裂后擺錘的上擺角度（°）

θα：擺錘的抬起角度（°）

b：試驗片的寬度（cm）

h：試驗片的厚度（cm）

L：摩擦造成的能量損耗

■夏比沖擊試驗的試驗片

夏比沖擊試驗中使用的試驗片有以下幾種。材料切割自實際用于產品的材料。

試驗片上有被稱為“缺口"的切口，用來集中應力，缺口包括“V形缺口"和“U形缺口"。此外，試驗片有用于“側向沖擊"的類型和用于“貫層沖擊"的類型。側向沖擊向試驗片的窄面施加沖擊，而貫層沖擊則向試驗片的寬面施加沖擊。 以下是用側向沖擊進行試驗時試驗片和打擊方向的示例。

?夏比沖擊試驗的斷口評估

夏比沖擊試驗中破壞的試驗片的斷口，會在不同溫度下呈現出各種破壞形態。這種斷口樣貌因溫度而產生變化的現象稱為“韌脆轉變現象"。斷口按樣貌可分為脆性斷口和韌性斷口。脆性斷口呈亮晶晶的銀白色，而韌性斷口出現較大凹凸，變形嚴重，顏色為暗灰色。脆性斷口面積在斷口面積中所占的比例稱為“脆性斷面率"，相反，將斷口面積作為100%，減去脆性斷面率后的值，稱為“韌性斷面率"。
例如，即使是相同材料，試驗片在低溫下幾乎以初始正方形截面的形狀發生斷裂。斷口變為脆性斷口，吸收能量變少。相反，在高溫下變為韌性斷口，脆性斷面率下降。而且吸收能量變大。
綜上所述，夏比沖擊試驗的斷口上，溫度和吸收能量的關系以及韌性變化會以表面積和粗糙度的形式表現出來，因此可以說，其定量評估在材料試驗中非常重要。

?夏比沖擊試驗與艾氏沖擊試驗的區別

艾氏沖擊試驗是與夏比沖擊試驗同樣，在工業領域有廣泛應用的沖擊試驗。大多用于塑料的沖擊試驗，單位是J/m。不過，兩者的試驗片固定方法有所不同。在夏比試驗中，固定試驗片左右兩端，對中央施予打擊。而在艾氏沖擊試驗中，固定試驗片的一端，對另一端施予打擊。與夏比沖擊試驗一樣，打擊時使用擺錘。根據吸收能量計算造成破壞的沖擊強度。對于吸收能量，與夏比沖擊試驗相同，是根據擺錘抬起角度，以及擺錘破壞試驗片后因慣性上擺的角度進行測量。艾氏沖擊強度和吸收能量的計算公式如下。

a＝E/b

a：打擊強度（J/m）

E：斷裂所需能量（吸收能量）（J）

b：試驗片上有缺口的側面的寬度（m）

此外，吸收能量的計算公式如下。

E＝WR(cosθβ?cosθα)?L

E：吸收能量（J）

W：擺錘重量（N）

R：從擺錘旋轉軸中心到重心的距離（m）

θβ：試驗片斷裂后擺錘的上擺角度（°）

θα：擺錘的抬起角度（°）

L：摩擦造成的能量損耗

■斷口測量的課題

在此之前，測量表面積一般使用顯微鏡。但是存在測量耗時、無法定量化等問題。而且有時無法保存測量結果或將其數據化，因此要評估斷口極為困難。

?利用顯微鏡測量斷口的課題

顯微鏡可用“面"來捕捉信息。還可以通過載物臺的移動量測量溝槽寬度，以及通過對焦的移動量測量深度方向。此外，由于放大率高，可詳細觀察斷口情況。
另一方面，該設備需要操作人員以目測方式實施測量，因此測量結果因人而異，而且其本身并非測量儀，無法將測量結果定量化，或者定量化后的測量值可靠性很低，這些缺點令人擔心。

■斷口測量的課題解決方法

利用光學顯微鏡等設備的測量，存在測量結果偏差、測量結果無法定量化等課題。為解決這些測量課題，基恩士開發了3D輪廓測量儀“VR系列"。
以非接觸的方式，以面為單位來準確捕捉目標物的3D形狀。此外，最快1秒完成載物臺上目標物的3D掃描，高精度地測量三維形狀。因此，測量結果不會產生偏差，可瞬間實施定量測量。下面具體介紹這些優點。

?優點1：最快1秒可進行定量評估

可測量金屬斷裂面的面積和體積，以及表面積和截面面積的比例。最快1秒內即可一鍵完成測量，因此可大幅增加測量數，實現了光學顯微鏡和接觸式測量儀需耗時耗力才能達到的效果。

除此之外，大面積范圍內最高點和低點的測量占用了大量時間和精力，如今也能迅速完成。而且測量結果皆可形成數據，大幅減輕了之后的數據比較與分析工作的負擔。

?優點2：支持可追溯性的測量系統

“VR系列"是非接觸式的三坐標測量儀，同時確保了與符合國家標準相關的可追溯性。測量精度保證了準確性和重復性兩大性能，能夠得到讓人放心、具有高可靠性的測量結果。此外，主機和校準板還標配隨附了證明書。
因此，“VR系列"是基于可追溯性的測量系統，可作為測量設備使用。
另外，還標配附帶檢測結果報告書、校正證書的校準量具。校準儀符合JCSS認證事業者的標準刻度?？僧攬鰧嵤蚀_校正。

■總結：對難以測量的斷口測量進行飛躍性改善和高效化

測量斷口狀態十分耗時，導致測量數有限，或者只能止步于觀察，而使用“VR系列"，即可快速測量并定量化。由此，可實現更高水平的夏比沖擊試驗的斷口評估。當然，還能進行艾氏沖擊試驗的斷口評估。

·       采用以面為單位測量的方式，大面積測量也能輕松完成。還能測量斷口的表面積、體積、粗糙度等各種參數。

·       消除了人為導致的測量值偏差，實現定量測量。

·       無需定位等操作，實現只需在載物臺上放置目標物后按下按鈕的簡單操作。避免了配置專人執行測量作業。

·       簡單、快速、高精度地測量3D形狀，因此可在短時間內測量多個目標物，有助于提升質量。

另外，還能進行簡單分析，例如與以往3D形狀數據的比較、粗糙度分布等，因此可有效應用于斷口狀態隨溫度變化的趨勢分析、破壞狀態檢查等各種用途。

基恩士 3D輪廓測量儀VR-6000系列

如果想了解更多信息可留言或電話咨詢，我們將竭誠為您服務。