--- title: "钢材冲击韧性与夏比试验 | Steel Equivalents" description: "了解夏比冲击试验如何测量冲击韧性，以及温度、缺口几何形状、取向和标准如何影响结果。" canonical: https://steelequivalents.com/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C language: zh robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/reading-a-datasheet/steel-impact-toughness-and-charpy-testing.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/materiálový-list/rázová-houževnatost-oceli-a-charpyho-zkouška.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/werkstoffdatenblatt-lesen/kerbschlagzähigkeit-von-stahl-und-charpy-prüfung.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/leer-una-ficha-técnica/tenacidad-al-impacto-del-acero-y-ensayo-charpy.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/lire-une-fiche-technique/résilience-des-aciers-aux-chocs-et-essais-charpy.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/anyagadatlap/az-acél-ütőszívóssága-és-a-charpy-vizsgálat.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/leggere-una-scheda-tecnica/resilienza-all-urto-dell-acciaio-e-prova-charpy.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/materiaaldatablad/kerfslagtaaiheid-van-staal-en-charpy-proeven.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/karta-materiałowa/udarność-stali-i-badanie-metodą-charpy-ego.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/ler-uma-ficha-técnica/tenacidade-ao-impacto-do-aço-e-ensaio-de-charpy.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/характеристики-стали/ударная-вязкость-стали-и-испытания-по-шарпи.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/teknik-veri-sayfası/çeliğin-darbe-tokluğu-ve-charpy-testi.md zh: https://steelequivalents.com/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼材データシートの読み方/鋼材の衝撃靭性とシャルピー試験.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/قراءة-ورقة-البيانات/متانة-الصلب-ضد-الصدمات-واختبار-شاربي.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강재-물성표-읽는-법/강철의-충격-인성-및-샤르피-시험.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/ler-uma-ficha-técnica/tenacidade-ao-impacto-do-aço-e-ensaio-charpy.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/डेटाशीट-कैसे-पढ़ें/इस्पात-की-आघात-कठोरता-और-चार्पी-परीक्षण.md content_hash: sha256:6df4636b6b8b8d7b9ed700d8588672fa9b94e8032c68312f7af1fd33e96a5fa6 generated: 2026-09-26 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C > Canonical URL: https://steelequivalents.com/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real > content change; `generated` moves on every render and is not a change signal. ![钢材冲击韧性与夏比试验](/images/uploads/b1c5397a-20d3-4ca5-b6b5-4e02e1f19ff3/wiki-hero-a-standardized-charpy-v-notch-steel-specimen-being-struck-by-a-pendulum-impact-t-1920x823.jpg) 如何读懂材料数据表 # 钢材冲击韧性与夏比试验 了解夏比冲击试验如何测量冲击韧性，以及温度、缺口几何形状、取向和标准如何影响结果。 ![钢铁行业记者Anders Bergström的肖像](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg) **[Anders Bergström](/zh/资讯/作者/anders-bergstrom "Anders Bergström")**如何读懂材料数据表3 分钟阅读更新于 2026年8月14日循证审核 本页内容本页内容 - [钢材冲击韧性意味着什么——以及夏比能量不意味着什么](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#钢材冲击韧性意味着什么-以及夏比能量不意味着什么 "钢材冲击韧性意味着什么——以及夏比能量不意味着什么") - [夏比摆锤试验：试样、缺口与断裂事件](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#夏比摆锤试验-试样-缺口与断裂事件 "夏比摆锤试验：试样、缺口与断裂事件") - [ASTM E23、ISO 148-1:2016 和 ISO 14556:2023](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#astm-e23-iso-148-1-2016-和-iso-14556-2023 "ASTM E23、ISO 148-1:2016 和 ISO 14556:2023") - [机器验证、校准与结果的可信度](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#机器验证-校准与结果的可信度 "机器验证、校准与结果的可信度") - [温度、铁素体钢与延性-脆性转变](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#温度-铁素体钢与延性-脆性转变 "温度、铁素体钢与延性-脆性转变") - [取样、取向与钢材加工历史](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#取样-取向与钢材加工历史 "取样、取向与钢材加工历史") - [断口外观、剪切面积、分裂与侧向开槽](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#断口外观-剪切面积-分裂与侧向开槽 "断口外观、剪切面积、分裂与侧向开槽") - [仪器化夏比试验及其可显示的额外信号](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#仪器化夏比试验及其可显示的额外信号 "仪器化夏比试验及其可显示的额外信号") - [从夏比冲击功到断裂韧度与裂纹止裂](/zh/%E7%BB%B4%E5%9F%BA/%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AF%BB%E6%87%82%E6%9D%90%E6%96%99%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%A1%A8/%E9%92%A2%E6%9D%90%E5%86%B2%E5%87%BB%E9%9F%A7%E6%80%A7%E4%B8%8E%E5%A4%8F%E6%AF%94%E8%AF%95%E9%AA%8C#从夏比冲击功到断裂韧度与裂纹止裂 "从夏比冲击功到断裂韧度与裂纹止裂") ## 钢材冲击韧性意味着什么——以及夏比能量不意味着什么 ### 冲击韧性与强度、延性和断裂韧性的区别 冲击韧性是指材料在快速施加载荷时抵抗断裂的能力，载荷通常通过一个能够集中应力的缺口施加。它与强度、拉伸延性或断裂韧性不是同一种性能，尽管这些性能都可能影响测试结果。 #### 相关机械性能 屈服强度 拉伸试验中开始发生塑性变形时的应力。 抗拉强度 拉伸试验中达到的最大工程应力。 延性 断裂前发生的塑性变形，通常通过伸长率或断面收缩率表示。 断裂韧度 在规定的试样、厚度、加载和有效性条件下，预存裂纹抵抗扩展的能力。 屈服强度描述的是拉伸试验过程中开始发生塑性变形时的应力。抗拉强度是该试验中达到的最大工程应力。这两个数值都不能说明含有尖锐裂纹的钢材在快速加载事件中的表现。高强度钢可能对解理断裂的抵抗能力较差，尤其是在低温下；而强度较低的钢材却可能吸收大量冲击能量。 延性描述断裂前发生塑性变形的能力，通常通过拉伸试样的伸长率或断面收缩率来表征。冲击韧性包含加载速率效应和缺口效应，而普通拉伸延性试验无法再现这些效应。带缺口的夏比试样几乎没有机会通过均匀变形重新分配应力。因此，局部约束和裂纹起始成为该试验的核心因素。 夏比吸收能量不是 I 型断裂韧度（KIC）值，也不是完整的断裂韧度测量结果。 Strong evidence 断裂韧度**断裂韧度** 在规定的试样几何形状、加载、厚度、裂纹和有效性条件下测得的抗裂性能。 断裂韧性属于另一类性能。KIC、JIC 或裂纹尖端张开位移（CTOD）等数值，描述的是在规定的试样、厚度、加载方式和有效性条件下，预先存在的裂纹抵抗扩展的能力。例如，KIC 是平面应变断裂韧性值，其测定条件旨在抑制试样尺寸和塑性效应。夏比 V 形缺口足够尖锐，能够促进断裂起始，但它并不是经过疲劳预制裂纹的断裂韧性试样，其吸收能量也不是 KIC 值。 裂纹止裂行为也必须单独考虑。材料可能能够抵抗裂纹起始，但对运行中裂纹的抵抗能力却不同。对于管线钢，落锤撕裂试验通过测量不同冲击温度下断口表面上的延性剪切断裂和解理断裂比例，考察裂纹止裂行为。该方法不能与夏比试验互换。 ### 为什么吸收能量只是材料性能的间接指标 在常规夏比试验中，摆锤冲击一个简支的带缺口试样。摆锤初始能量与最终能量之差，表示试样吸收的功；实际上，其中还包括根据试验程序计入的某些相关损失。结果以吸收冲击能量报告，通常以焦耳为单位。NIST 在 2024 年将夏比试验描述为一种高加载速率试验，用于测量断裂过程中吸收的能量，并间接表征冲击韧性。 #### 将能量视为间接指标 夏比能量综合反映塑性变形、裂纹起始、裂纹扩展、摩擦、试验机效应和最终断裂。它不是一种能够不变地适用于所有构件几何形状或加载速率的单一材料常数。 \[1\] \[1\] [**ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method**](https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/06/38/63802.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2016. “间接”是关键所在。测得的能量综合反映了多个过程：缺口附近的塑性变形、裂纹起始、稳定或不稳定的裂纹扩展、摩擦和试验机效应，以及最终断裂过程。它不是一种能够不加改变地适用于所有构件几何形状或加载速率的单一材料常数。ASTM E23 涵盖夏比简支梁式和 Izod 悬臂梁式冲击试验，包括试样要求、试验程序、试验机验证、结果报告以及剪切断裂外观的测定。ISO 148-1:2016 规定了金属材料夏比 V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。缺口类型十分重要；如果没有明确规定依据，不应将 V 形缺口和 U 形缺口的结果视为等效。 断口形貌能够提供单凭能量数值无法提供的证据。延性撕裂通常需要发生大量塑性变形，并吸收更多能量。以解理为主的断裂通常吸收较少能量。因此，剪切断裂百分比、侧向膨胀量以及结果在延性—脆性转变曲线上的位置，都可能改变对同一名义能量值的工程解释。 仪器化试验可以进一步提供力—时间或力—位移响应方面的信息。ISO 14556:2023 规定了仪器化夏比 V 形缺口试验，以及用于测量和记录其他断裂行为的设备；ISO 148-1:2016 不涵盖这种仪器化方法。试验机状态同样重要。ASTM E23 和 ISO 148-2 规定了验证要求，NIST 的夏比试验机验证项目则使用经认证的试样对试验机进行定期检查。 ### 将单个夏比数值视为通用性能的危险 “这种钢材的夏比韧性为 80 J”这样的表述是不完整的。它可能没有说明温度，也可能没有说明缺口几何形状、试样取向、板厚、热处理状态、取样位置、试验方向、试样数量、适用标准以及断口形貌。每一项缺失的信息都可能改变结果的含义。 #### 不要将室温能量用作低温服役保证 对于铁素体钢，随着温度下降，吸收能量和断裂模式可能发生剧烈变化。规定的试验温度应代表相关服役条件，同时应遵守适用的设计规范和技术要求。 铁素体钢通常会随着温度降低而出现延性—脆性转变。因此，室温下的结果可能无法充分保证材料在更低服役温度下的表现。即使在转变区内，温度发生微小变化也可能导致能量和断裂模式显著改变。上平台能量、转变区能量和下平台行为源于不同的断裂机制，因此，在利用夏比数据估算下限断裂韧性值时，需要采用分别建立的相关关系。这些相关关系可以针对规定状态下的铁素体钢，为工程筛选提供支持；但它们不能将吸收能量转变为平面应变断裂韧性。 夏比结果不能脱离其取样方案和试样取向单独解读。 Strong evidence \[2\] \[2\] [**ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel**](https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html). ASTM International. ASTM International standard, 2025.试样取向是另一个决定性变量。纵向夏比试样与横向试样或厚度方向试样所反映的钢材特征不同，因为轧制方向、夹杂物、带状组织和晶粒结构都会影响裂纹扩展。ASTM A673/A673M 规定了结构钢纵向夏比 V 形缺口试验的取样程序，并区分了热处理炉批检验和逐件检验的频次。因此，取样是试验结果的一部分，而不是试验完成后才添加的行政性细节。 NIST 于 2011 年对带侧槽夏比试样的评估发现，侧槽会减少上平台能量下累积的塑性变形并促进分裂；在延性—脆性转变温度附近，分裂程度最大。这一发现说明，试样几何形状能够同时改变测得的能量和断口表面形貌。 当夏比结果作为一项定义明确的试验观察进行报告时，它才具有实用价值：材料状态、标准、缺口形式、取向、温度、取样方案、能量和断口形貌应一并说明。缺少这些背景信息时，单个数值不是钢材的通用性能，也不能单独证明服役条件下的断裂安全性。 ## 夏比摆锤试验：试样、缺口与断裂事件 ### 标准夏比 V 形缺口和 U 形缺口试样 夏比试验使用一根小型矩形条材，其一个表面加工有缺口。试样水平放置在两个支座之间，然后由摆锤从缺口相对的表面进行冲击。这种布置使裂纹能够在受控位置起始，并穿过剩余韧带扩展。试验结果并不只是“钢材”本身的某项性质，而是特定试样、缺口、取向、温度和材料状态共同产生的响应。 ISO 148-1:2016 规定了金属材料的夏比 V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。V 形缺口和 U 形缺口的名称描述的是缺口轮廓，而不是两种可以相互替代的试验结果。V 形缺口具有倾斜的侧面，侧面在规定的根部半径处相交，从而产生相对尖锐的应力集中。U 形缺口具有圆钝的根部，因此会形成不同的局部应力场。缺口深度、夹角、根部半径、试样尺寸和表面光洁度均由适用标准规定。即使是很小的偏差，也可能改变断裂前的裂纹起始和塑性变形。 公称尺寸（mm） 通常与全尺寸夏比试样相关的公称尺寸；适用标准规定允许的尺寸和缩小尺寸替代方案。 常用的全尺寸夏比试样标称尺寸为 10 mm × 10 mm × 55 mm，但允许的尺寸及缩小尺寸替代方案由适用标准和产品规范规定。对于 V 形缺口试样，缺口通常深 2 mm，夹角为 45 度，并具有规定的根部半径。这些数值描述的是一种标准化几何形状，并不是适用于所有冲击试样的通用制作配方。U 形缺口的尺寸同样应遵循所选标准，不得根据 V 形缺口的做法推定。 夏比和伊佐德是美国材料与试验协会 E23 标准涵盖的两种不同冲击试验布置。 | 方法 | 试样支承方式 | 主要结果或适用范围 | |---|---|---| | 夏比 | 简支梁 | 摆锤冲击能量，以及在有要求时的剪切断裂形貌 | | 伊佐德 | 悬臂梁 | 根据适用的美国材料与试验协会 E23 标准要求进行的摆锤冲击试验 | ASTM E23 涵盖夏比简支梁冲击试验和伊佐德悬臂梁冲击试验。这一区分十分重要。伊佐德试样以悬臂方式固定，并在支承点上方受到冲击；而夏比试样则由两端支承。不能将一种方法所得的数值重新标注为另一种方法的结果。ASTM E23 还涉及试样要求、试验程序、设备验证、结果报告以及剪切断裂外观的判定。 缺口通常这样取向：冲击刀加载未开缺口的一面，而缺口位于弯曲截面的受拉侧。随后，随着剩余韧带发生弯曲，裂纹在缺口根部起始。还必须报告试样取向。例如，在轧制钢板中，纵向夏比 V 形缺口试样所取样的轧制方向、夹杂物、带状组织和晶粒结构组合，与横向试样或厚度方向试样不同。ASTM A673/A673M 规定了结构钢纵向夏比 V 形缺口试验的取样程序，并区分炉批试验和逐件试验的频次。因此，取样方式也是所报告结果含义的一部分。 ![钢材冲击韧性与夏比试验](/images/uploads/71cba343-02a2-412b-93ff-1007fed6070d/wiki-inline-the-pendulum-impact-path-simply-supported-charpy-specimen-notch-orientation-and-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/71cba343-02a2-412b-93ff-1007fed6070d/wiki-inline-the-pendulum-impact-path-simply-supported-charpy-specimen-notch-orientation-and-1920x1094.avif "放大图片 — 钢材冲击韧性与夏比试验")The pendulum’s energy loss is related to the work absorbed during fracture, with machine losses accounted for by the test procedure. ### 摆锤冲击与吸收能量计算 #### 摆锤冲击顺序 1. **提升** 将摆锤提升至规定高度，并赋予已知的势能。 2. **释放** 摆锤以受控速度向下摆动。 3. **冲击** 冲头撞击试样缺口相对的表面。 4. **断裂** 试样沿剩余韧带断裂或弯曲。 5. **测量** 初始摆锤能量与最终摆锤能量之差用于报告吸收能量。 释放前，摆锤被提升至规定高度，并获得已知的势能。摆锤向下摆动，以受控速度冲击试样，使条材断裂或弯曲，然后在另一侧上升至较低高度。简化形式下，吸收能量为 E=mg⁢(h1−h2), 其中，m 为摆锤的有效质量，g 为重力加速度，h1 和 h2 分别为摆锤的初始高度和最终高度。实际设备会考虑机械损失、摩擦、风阻、冲击刀几何形状以及设备校准等因素。显示值通常以焦耳报告。\[3\] \[3\] [**Charpy Machine Verification Program**](https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program). National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024. NIST 将夏比试验描述为一种高加载速率试验，用于测量断裂过程中吸收的能量，并间接评估冲击韧性。设备会通过 NIST 夏比试验机验证计划等程序定期检查，并在 ASTM E23 和 ISO 148-2 规定的条件下使用经认证的试样。验证可以确认设备能够产生可接受的结果，但不能消除由钢材化学成分、热处理、试样制备或取样造成的差异。 该能量不仅包括形成新裂纹表面所需的能量，还包括弹性和塑性弯曲、裂纹起始、稳定撕裂、摩擦效应以及事件过程中发生的其他变形。较高的数值通常伴随韧性撕裂，而较低的数值通常伴随以解理断裂为主的断裂；但是，仅凭能量不能确定完整的断裂过程。在有要求时，应检查断口表面并记录剪切断裂外观。 温度可能使结果发生显著变化。许多碳素结构钢和低合金结构钢等铁素体钢，随着温度降低，可能表现出韧脆转变。一个室温数值不能代表材料在冬季设计温度、焊接热影响区或服役中的快速裂纹事件下的行为。夏比能量可以支持用于估算铁素体钢断裂韧度下限的规定相关关系，但下平台、转变区和上平台行为分别适用不同的关系。夏比能量不是平面应变断裂韧度值，也不能直接确定裂纹止裂性能。落锤撕裂试验是用于评价管线钢裂纹止裂行为的另一种独立方法，它测量冲击温度范围内的韧性剪切断裂比例和解理断裂比例。 ### 简支梁几何形状、支承条件与缺口取向 夏比试样在冲击过程中近似表现为简支梁。试样两端搁置在砧座上，跨距按规定设置；冲击刀则在接近中点的位置施加集中载荷。支座、跨距、冲击刀半径、间隙、对中情况和冲击速度都会影响弯曲应力以及缺口周围的约束程度。即使试样尺寸看似正确，如果放置不稳、未对中、受到损伤，或冲击位置偏离规定位置，也可能产生误导性数值。 缺口取向决定了哪一个材料方向位于裂纹路径的横向位置。轧制织构、拉长的夹杂物、焊缝凝固组织、偏析和先前的变形，都可能使纵向、横向和厚度方向的结果产生显著差异。加工痕迹、过大的根部半径、毛刺、腐蚀以及制备过程中产生的热量，也可能改变裂纹起始。要实现可比性，必须采用相同的标准、缺口类型、尺寸、取向、温度、支承布置和制备历史。 侧向沟槽说明了几何形状还可以进一步改变断裂行为。NIST 于 2011 年报告称，在上平台能量范围内，侧向沟槽会减少塑性变形的累积并促进分裂；在韧脆转变温度附近，分裂程度最大。这类试样可能适用于特定的研究，但如果没有明确说明试验方法，其结果不应与普通夏比数值合并。\[4\] \[4\] [**ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method**](https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2023. ISO 14556:2023 规定了仪器化夏比 V 形缺口摆锤冲击试验。该方法记录力和位移或相关信号，以提供有关断裂行为的更多信息。ISO 148-1:2016 并未以这种仪器化方法取代常规能量试验。常规夏比结果是对一次受控冲击事件的标准化响应，而不是对每一种服役裂纹、加载历史、约束条件或裂纹止裂问题的直接模拟。 ## ASTM E23、ISO 148-1:2016 和 ISO 14556:2023 Charpy 试验结果是经过标准化的测量值，但不同标准下的结果并不能自动视为可互换。报告值取决于试样、缺口、取向、试验温度、摆锤试验机、验证状态、材料状态以及报告规则。该数值描述的是吸收冲击能量，而不是平面应变断裂韧度、止裂性能或断裂行为的所有方面。 NIST 将 Charpy 试验描述为一种高加载速率试验，用于测量断裂过程中吸收的能量，并间接测量冲击韧性（NIST，2024）。这一点对于铁素体钢十分重要，因为铁素体钢通常会随着温度降低而发生韧性到脆性的转变。因此，室温下的试验结果可能掩盖材料在较低服役温度下能量的急剧下降。 ### ASTM E23 控制和报告的内容\[5\] \[5\] [**ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials**](https://store.astm.org/standards/e23). ASTM International. ASTM International standard, 2025. ASTM E23 涵盖 Charpy 简支梁冲击试验和 Izod 悬臂梁冲击试验（ASTM International，2025）。对于 Charpy 试验，其要求涉及试样尺寸和缺口细节、试样支承和取向、试验程序、试验机操作、验证以及报告。该标准还包括剪切断裂外观的测定，使断口表面能够作为吸收能量结果的补充信息。 这种覆盖范围使报告数值不仅仅是一个摆锤读数，但并不会使该试验成为直接的断裂韧度测量。试验机记录的是断裂试样相关的能量差，通常以焦耳或英尺-磅报告。只有结合缺口类型、试样取向、试验温度、材料标识以及适用的验收要求，该数值才具有意义。 试验机状态是测量链的一部分。根据 ASTM E23 和 ISO 148-2，Charpy 试验机需使用经认证的参考试样定期进行验证，相关工作可通过 NIST 的 Charpy 试验机验证计划等项目开展。未通过适用验证要求的试验机，可能产生数值上精确但仍不适合比较的结果。 ASTM E23 也没有规定每一种钢材产品的完整取样含义。ASTM A673/A673M 规定了结构钢纵向 Charpy V 型缺口试验的取样程序，并区分了炉批试验与单件试验的频次。因此，即使采用相同的冲击试验程序获得两个结果，如果其取样计划不同，这两个结果也可能代表不同程度的生产监督。 断口外观能够提供仅凭能量无法获得的证据。韧性剪切断裂通常吸收更多能量，而以解理为主的脆性断裂通常吸收较少能量。剪切断裂百分比可以确定试样位于转变曲线上的大致位置，但外观测量必须遵循适用的报告程序。高能量上平台结果并不能确定某一特定的 KIC、JIC 或止裂韧度值。 ### ISO 148-1:2016 对常规 Charpy 试验的适用范围 ISO 148-1:2016 规定了金属材料的 Charpy V 型缺口和 U 型缺口摆锤冲击试验（ISO，2016）。该标准定义了常规试验装置：带缺口的试样作为简支梁支承，并在规定条件下由摆锤冲击器将其折断。由此得到的吸收能量是由试验方法定义的冲击值，而不是普遍适用的材料常数。 V 型缺口和 U 型缺口构型不可互换。它们的缺口几何形状会改变应力集中、塑性变形、裂纹起始以及试样断裂所需的能量。因此，将 ISO 148-1:2016 的结果与另一种方法的结果进行比较时，必须同时说明试样尺寸、缺口形状、取向、温度、冲击器细节以及试验机验证情况。 ISO 148-1:2016 不包括仪器化 Charpy 试验。该标准针对的是常规摆锤试验及其吸收能量的测定；需要记录力和位移的测量属于 ISO 14556。ISO 148-2 涉及 Charpy 摆锤冲击试验机的验证，因此，符合 ISO 148-1:2016 不应被视为未经验证的试验机能够产生可比数据的证明。\[6\] \[6\] [**What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?**](https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement). TWI. TWI Technical Knowledge, 2024. 该标准的适用范围也不会消除材料特性的影响。铁素体钢可能会随着温度变化呈现下平台区、转变区和上平台区。在这些区域内使用 Charpy 能量估算断裂韧度下限值时，需要采用不同的关系式；下平台、转变区和上平台行为所对应的关系式并不相同（TWI，2024）。这些相关关系仅适用于其规定的材料、几何形状和温度范围。\[7\] \[7\] [**Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels**](https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high). National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011. NIST 于 2011 年发表的一项关于带侧槽 Charpy 试样的研究发现，侧槽会减少上平台能量下累积的塑性变形，并促进分裂。分裂严重程度在韧性到脆性转变温度附近达到最大。该发现说明，试样制备方式可能改变断裂行为，即使名义上的 Charpy 试验名称并未改变。 ### ISO 14556:2023 下的仪器化 Charpy 试验 ISO 14556:2023 规定了仪器化 Charpy V 型缺口摆锤冲击试验，以及所使用的测量和记录设备（ISO，2023）。除了摆锤测得的总体吸收能量外，仪器化系统还会记录冲击过程中的力相关数据，从而能够分析裂纹起始、不稳定扩展和随后断裂等阶段，但须遵守该标准的测量要求和数据解释规定。 这类试验能够提供有关断裂行为的信息，而不仅仅是一个积分能量值。力-位移或力-时间记录有助于区分裂纹起始能量与裂纹扩展能量，并可能揭示韧性撕裂、解理断裂和混合断裂之间的差异。但这些附加信号不会自动产生平面应变断裂韧度值；试样尺寸、约束程度、缺口锐度、校准以及分析假设仍然十分重要。 ISO 14556:2023 专门针对仪器化 Charpy V 型缺口方法。即使试样看起来相似，其结果也不应与常规 ISO 148-1:2016 V 型缺口值或 ASTM E23 值随意合并。不同的设备、校准方法、定义、滤波方式、报告惯例和验收准则，都可能改变所报告的量。 同样，不应将 Charpy 试验与落锤撕裂试验混为一谈。落锤撕裂试验是另一种独立方法，通过测量不同冲击温度下的韧性剪切和解理断裂比例，研究管线钢的止裂行为。它回答的是不同的工程问题。Charpy 能量、仪器化冲击数据、断口外观和止裂测量是相互关联的证据，但并非可以互换的标签。 ## 机器验证、校准与结果的可信度 ### 直接验证与有证标准试样 只有当完整的试验系统已经证明其能够产生已知响应时，Charpy 试验结果才具有可信度。机器验证正是用于提供这种证明。它不同于检查摆锤是否摆动、试样是否能够放置在支座之间，或刻度盘是否显示一个看似合理的数值。 根据 ASTM E23 和 ISO 148-2，直接验证使用具有既定冲击能量值的有证标准试样。实验室在该机器上冲断这些试样，并将测量结果与有证范围进行比较。由于标准试样的响应特性已知，它们能够在实际冲击条件下检验机器及其测量链，而不仅仅是检查各个尺寸。 这一差别十分重要，因为 Charpy 试验是一种高加载速率测量。NIST 将该试验描述为测量断裂过程中吸收的能量，并将其作为冲击韧性的间接指标。摆锤必须在持续时间很短的断裂事件中传递能量，而机器记录的是其初始能量与最终能量之间的差值。因此，微小的机械损失或几何误差都可能影响报告值。 直接验证可以同时揭示多种失效模式。过大的摆锤摩擦会在冲击前降低可用能量。损伤、变圆、方向放置不正确或尺寸不正确的冲击刀刃，会改变缺口的受载方式。磨损的支座或不正确的支承间距会改变弯曲和接触条件。支承未对准可能引入扭转或不均匀约束。机器仍可能产生整齐的断口并显示出可信的刻度读数，却无法满足标准试样的要求。 机器容量也具有明确作用。对于预期能量范围而言，摆锤过大可能导致分辨率较差；而容量不足的机器则无法正确冲断试样，或者在接近其量程上限时出现测量准确度下降。适用标准和机器设计决定了允许的容量、能量范围、冲击刀刃几何形状、试样支座以及指示系统。 验证并不只是校准的同义词。校准通常涉及将某个测量元件的准确度与可溯源标准进行比较。验证则要判断组装完成的 Charpy 机器，包括其机械部件和能量指示系统，是否能在规定试验中产生可接受的结果。实验室可能已经校准了编码器或检查了刻度盘，但如果冲击刀刃、轴承、摩擦部件或支座存在缺陷，机器仍可能无法通过直接验证。 ### NIST 的 Charpy 机器验证计划 NIST 的 Charpy 机器验证计划按照 ASTM E23 和 ISO 148-2 的要求，使用有证标准试样支持对 Charpy 机器进行定期验证。设立该计划的原因在于，不同机器之间的差异可能大到足以掩盖材料差异，尤其是在测量能量接近规范限值，或需要比较不同实验室的结果时。 有证标准试样并不是生产试样的替代品。它们是用于确定机器测量响应是否落在认可范围内的控制材料。通过验证表明合格，可以增强对试验系统在验证时刻的信心；但这并不意味着对之后的每一次试验进行认证，也不能证明每个试样都经过了正确制备、定向、状态调节和试验。 在正式验证之间，仍有必要进行例行检查。人员应确认冲击刀刃和支座的尺寸、支承对准情况、摆锤位置、机器水平度、摩擦损失、指示或仪器功能，以及防护装置和防护容纳设备的状况。试样必须符合规定的尺寸、缺口半径、缺口深度、缺口方向和表面状态。缺口检查可以发现毛刺、过大的粗糙度、加工痕迹或超出公差的半径。这些检查针对的是试样和机器的几何状况；直接验证则针对组装系统测得的断裂响应。 温度控制是另一个独立的不确定性来源。铁素体钢在温度下降时，可能从高能量的韧性断裂转变为以解理为主的低能量断裂。在错误温度下试验的试样，可能产生一个完全可重复的数值，却回答了错误的问题。实验室必须控制状态调节时间、转移时间、浴槽或试验箱温度，以及试样实际达到的温度。操作程序同样重要：定心不正确、试样反向放置、释放延迟或缺口方向错误，都可能使一台原本通过验证的机器所得结果失效。 ASTM E23 涵盖 Charpy 简支梁和 Izod 悬臂梁冲击试验，包括机器验证、结果报告以及剪切断口形貌的测定。ISO 148-1:2016 规定了金属材料 Charpy V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。仪器化试验属于独立范畴：ISO 14556:2023 针对仪器化 Charpy V 形缺口试验以及用于记录附加断裂信息的设备。 ### 为什么看似正确的冲击值仍可能不可靠 数值看似合理，并不意味着它具有材料学意义。验证无法消除试样之间的离散性、炉次之间的变化、取向效应或取样误差。ASTM A673/A673M 规定了结构钢纵向 Charpy V 形缺口试验的取样程序，并区分按炉次试验和按件试验的频率。因此，取样方案也是结果所代表内容的一部分。来自不具代表性位置的三个、虽经正确试验的试样，并不能代表整个结构。 断口形貌能够提供单凭能量值无法提供的证据。一般而言，韧性剪切断裂消耗的能量高于解理断裂，但相同的吸收能量可能由剪切、解理、分裂和塑性变形的不同比例组合产生。NIST 在 2011 年报告指出，在上平台能量范围内，侧向沟槽会减少塑性变形的累积并促进分裂；在韧脆转变温度附近，分裂程度最大。试样几何形状可能改变断裂过程。 Charpy 能量也不是平面应变断裂韧度值。对于规定的铁素体钢和温度区域，相关关系可以估算断裂韧度下限，但下平台、转变区和上平台行为分别适用不同的关系。室温下的数值不能描述低温服役状态下的情况，因为钢材会发生韧脆转变。\[8\] \[8\] [**What is the drop-weight tear test?**](https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test). TWI. TWI Technical Knowledge, 2024. 最后，Charpy 试验不能替代止裂试验。落锤撕裂试验通过评估冲击温度范围内的韧性剪切和解理比例，评价管线钢的止裂行为。它回答的是另一个问题。经过验证的机器能够使 Charpy 数值作为测量结果更加可信；但它并不能使该数值成为对断裂抗力的完整描述。 ## 温度、铁素体钢与延性-脆性转变 铁素体钢通常会随着温度下降而出现延性-脆性转变。在较高温度下，缺口周围可发生塑性变形，并在试样断裂分离前吸收大量冲击能量。在较低温度下，位错运动受到更大限制，缺口根部的局部应力迅速升高，解理裂纹可在有限塑性变形的情况下扩展。这种变化并不能用单一的通用温度或某一个夏比值来表示。 夏比试验记录试样在规定温度和加载速率下断裂过程中所吸收的能量。NIST 将其描述为一种高加载速率试验，是冲击韧性的间接测量，而不是直接的平面应变断裂韧度试验。结果还取决于缺口形状、试样取向、钢板或产品状态、试验程序以及取样方式。ASTM E23 涵盖夏比简支梁和伊佐德悬臂梁冲击试验，而 ISO 148-1:2016 规定了金属材料的夏比 V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。在比较结果时，这些试验名称和程序都很重要。 ### 下平台、过渡区和上平台 铁素体钢夏比行为中通常讨论的三个区域。 | 区域 | 典型断裂行为 | 解读时的注意事项 | |---|---|---| | 下平台区 | 以类解理断裂为主，吸收能量相对较低 | 低能量本身不能说明裂纹在结构中的扩展行为 | | 过渡区 | 解理断裂与延性剪切混合，能量散布可能很大 | 温度的小幅变化可能导致能量和断裂形貌发生较大变化 | | 上平台区 | 广泛的塑性变形，吸收能量通常较高 | 上平台能量不是直接的断裂韧度值 | 下平台区**下平台区** 铁素体钢夏比曲线中的低温区域，此时吸收能量相对较低，断裂通常以解理断裂为主。 通常将常见的夏比温度曲线划分为三个解释区域。下平台是低温区域，在此区域内，吸收能量相对较低，且随温度变化可能不大。断裂以解理型断裂为主，但仍可能出现小面积延性断裂区域或剪切唇。较低的下平台值表明塑性能量吸收能力有限；但仅凭这一数值，无法完整描述结构中的裂纹扩展行为。 过渡区位于下平台和上平台之间。在此区域内，温度的小幅变化可能导致吸收能量和断口形貌发生较大变化。一些试样可能表现出解理断裂与延性剪切断裂的混合特征，试验结果的离散性也可能很大。因此，与规定能量相对应的温度（例如合同要求中的温度）并不自动等同于材料的物理转变温度。另一种定义可能采用中点能量、断口形貌判据或规定比例的剪切断裂。 在上平台区域，试样在最终分离前通过广泛的塑性变形吸收更多能量。测得的数值仍不是直接的断裂韧度值。上平台夏比能量会受到试样尺寸、缺口锐度、应变速率、取向和约束条件的影响。NIST 于 2011 年报告指出，夏比试样上的侧槽会减少上平台能量下塑性变形的累积并促进分裂，而且分裂程度在延性-脆性转变温度附近最大。带侧槽的试验结果不应视为可与未经改动的标准试样结果互换。 这些区域并不是从“差”到“好”的直线刻度上的几个点。正如 TWI 于 2024 年所指出的，在将夏比能量与下限断裂韧度相关联时，针对下平台、过渡区和上平台行为分别采用不同的关系式。这些相关关系要求适用的钢材类别、温度范围、试样构型和约束假设均符合条件。夏比能量仍然是以焦耳计量的冲击能量；而断裂韧度通常通过 KIC、JIC 或相关的裂纹尖端参数表示。 ### 解理断裂与延性剪切断裂 解理是一种快速的脆性断裂过程，裂纹沿优先的晶体学晶面扩展，而在此之前几乎不发生塑性变形。其断口通常呈现相对明亮且颗粒状的外观。由于塑性功有限，以解理断裂为主的试样通常吸收较少的夏比能量。因此，下平台通常与低能量和高比例的脆性断裂相关，但具体断口形貌取决于钢材、取向、缺口和试验温度。 延性断裂通过塑性流动以及微观孔洞的形核、长大和聚合而形成。它通常消耗更多能量，并产生纤维状或暗淡的断口表面，外表面附近常可见剪切唇。一个断口表面上可能同时包含这两种机制。仅报告吸收能量而不报告断口形貌，可能掩盖这种变化。 因此，标准和规范除了可能要求能量值外，还可能要求报告剪切断裂比例。一个具有中等能量和混合断口的试样，与另一个能量相同但以延性剪切断裂为主的试样，所反映的情况并不相同。ASTM E23 包含剪切断口形貌的判定及报告要求。仪器化试验还可以记录试验过程中力、位移和吸收能量等信息：ISO 14556:2023 针对仪器化夏比 V 形缺口试验，而 ISO 148-1:2016 不涵盖这种仪器化方法。 落锤撕裂试验提供了另一种有用的区分方法。这是一种独立的管线钢试验方法，用于评估裂纹止裂行为，并在不同冲击温度下评估延性剪切断裂和解理断裂的比例。其结果不得替代夏比能量，也不得作为同一种测量结果来呈现。 ### 为什么服役温度必须决定试验温度 试验所依据的温度应代表相关的最低服役条件，同时还应考虑适用设计规范和产品规范所要求的裕量。室温下的夏比结果只能确立材料在该试验条件或接近该条件下的性能。它不能确定在更低设计温度下的下平台位置、转变行为或断口形貌。 这一限制对于铁素体结构钢尤为重要。ASTM A673/A673M 规定了结构钢纵向夏比 V 形缺口试验的取样程序，并区分了按炉次试验和按件试验的频次。取样是试验结果含义的一部分：一组符合要求的试样并不一定能够代表所有位置、取向、炉次、厚度或产品状态。 因此，应将试验温度与吸收能量、试样取向、缺口标识、试验标准以及任何剪切断裂要求一并说明。试验机状态同样重要；ASTM E23 和 ISO 148-2 提供了验证框架，而 NIST 的夏比试验机验证计划使用经认证的试样对试验机进行定期验证。缺少这些细节时，所报告的“夏比韧性”数值是不完整的。对于铁素体钢而言，温度并非结果的附注；它可能决定所观察到的断裂主要是延性断裂，还是以解理断裂为主。 ## 取样、取向与钢材加工历史 ### ASTM A673/A673M 与结构钢取样 夏比试验结果描述的是从特定钢材部位截取的特定试样。对于结构钢板，ASTM A673/A673M 十分重要，因为该标准规定了纵向夏比 V 形缺口试验的取样程序，而不是将取样视为试验完成后才附加的行政细节。该标准规定了试样的取样位置，以及在炉次检验或逐件检验规定下冲击试样的取样频率。这些选择构成了试验结果含义的一部分。 取样位置可能十分重要，因为钢板在长度、宽度或厚度方向上并非完全均匀。对于钢锭或连续铸造产品，特定区域附近的化学偏析可能更为明显；而轧制压下量、冷却速率以及表面与中心之间的温度差异，则可能导致沿厚度方向形成不同的显微组织。因此，从某一允许位置截取的试样，所证明的是该取样材料在规定方案下的性能。它并不能自动证明钢板所有位置、某一生产批次中的每一块钢板，或由该钢板制造的每个构件都具有相同性能。 ASTM A673/A673M 还应与适用的材料标准以及采购或制造要求结合阅读。具体版本和产品规定决定了确切的取样条款。仅注明“进行了夏比试验”的报告遗漏了关键信息：适用标准、试样取向、试验温度、取样位置、规定频率、吸收能量结果，以及任何断口形貌要求。ASTM E23 为夏比简支梁试验提供了通用框架，包括试样要求、试验程序、试验机验证、报告以及剪切断面形貌的测定。NIST 的夏比试验机验证计划将该试验描述为一种高加载速率测量，用于测定断裂过程中吸收的能量；但它并不会将该能量直接转化为平面应变断裂韧度值。 ### 纵向试验与横向试验 “纵向夏比”表示试样相对于产品主要轧制方向的取向。对于纵向试样，试样长度通常与轧制方向一致，而缺口取向决定裂纹在材料中扩展的方向。横向试样的长度则横跨轧制方向截取。这些代表不同的材料方向，不能将其视为可互换的标签。 轧制会使晶粒和夹杂物沿轧制方向延伸，并可能形成带状显微组织。因此，沿延伸特征横向扩展的裂纹，与沿这些特征方向扩展的裂纹相比，可能依次穿过不同的铁素体、珠光体、偏析带或夹杂物。取向可能改变测得的能量，尤其是在具有强烈织构、明显带状组织或厚度方向薄弱性的钢板中。其影响不能仅凭钢材牌号确定。钢板厚度、压下比、再加热工艺、控轧、正火、淬火与回火以及冷却历史都会产生影响。 缺口取向和裂纹扩展方向同样需要重点关注。ASTM A673/A673M 中的纵向 designation 并不能普遍替代横向、厚度方向或与焊缝相关的韧性要求。如果结构承受的载荷会使钢板沿试验试样未能代表的方向受力，那么报告值可能不足以作为评估依据。工程师必须使试样取向与预期裂纹路径以及适用设计标准或材料标准中的要求相匹配。 温度又增加了一项限制。铁素体钢通常会随着温度降低而经历韧脆转变。因此，室温下的纵向数值可能掩盖服役温度下显著降低的结果，也可能与同一温度下横向试样的响应不同。吸收能量和断口形貌应结合解读：韧性剪切断裂通常吸收更多能量，而以解理为主的断裂通常吸收较少能量。ASTM E23 包含剪切断面形貌的测定；ISO 148-1:2016 规定了金属材料夏比 V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。仪器化测量属于另一类试验；ISO 14556:2023 涵盖仪器化夏比 V 形缺口试验以及用于记录额外力和位移信息的设备。 ### 炉次检验、逐件检验与材料变异性 炉次检验和逐件检验是两种取样策略，并不是同一种试验的两个名称。炉次检验将取样频率与钢材炉次相关联，即与一次受控化学熔炼所生产的材料相关联。逐件检验则根据适用要求，对单个产品或单件产品分别进行取样。ASTM A673/A673M 区分了这两种方法及其频率，因此，引用其中一种方法的规范不能被解释为同时要求另一种方法。确切的频率必须依据适用版本和产品条款确定，不应从一般性的夏比试验惯例中推断。 当一个炉次被加工成许多块钢板、不同钢板的厚度存在显著差异，或生产过程中加工条件发生变化时，这一区分尤为重要。炉次级试样可以为规定取样方案所代表的材料提供证据，但无法揭示每一处局部夹杂物条带、偏析带、分层或加工变异。逐件检验提高了试验结果与某一特定产品之间的直接关联，但它所检验的仍然是取样区域，而不是整个成品结构。 钢板生产完成后的加工还可能进一步扩大母材结果与服役性能之间的差异。焊接会引入热循环，从而改变热影响区的晶粒尺寸、转变产物、硬度、残余应力和局部韧性。焊后热处理又可能再次改变这些特征。按照 ASTM A673/A673M 从母材钢板上截取的试样，并不能证明焊缝金属或热影响区符合要求，除非依据适用程序对这些区域分别取样和试验。 NIST 于 2011 年报告指出，在上平台能量范围内，夏比试样的侧向开槽会减少塑性变形的累积并促进分裂；在韧脆转变温度附近，分裂程度最大。这说明，试样几何形状和断口形貌可能改变对能量值的解释。对于铁素体钢，夏比能量可以支持对断裂韧度下限的特定估算，但对于下平台、转变区和上平台行为，适用的关系式各不相同。归根结底，它仍然是基于特定取向和状态下所取材料得到的冲击能量结果，并不是对所有裂纹路径、焊接区域或构件的完整描述。 ## 断口外观、剪切面积、分裂与侧向开槽 断裂后的 Charpy 试样包含一些仅凭吸收能量值无法显示的信息。能量是摆锤使试样断裂所做的功；断口外观则记录了这些功是如何被消耗的。较高的数值可能反映出较大程度的塑性变形，而较低的数值可能表明发生了快速解理断裂，但相同的名义能量可能来自塑性变形、裂纹扩展和约束条件的不同组合。 这种区别对于铁素体钢尤其重要，因为这类钢通常会随着温度降低，从较高温度下的韧性行为转变为以解理断裂为主的行为。因此，室温试验结果可能掩盖一种转变：在相对较小的温度区间内，断裂模式发生剧烈变化。ASTM E23 包括 Charpy 和 Izod 试验中的剪切断裂外观测定，而 ISO 148-1:2016 规定了金属材料的 Charpy V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。两项标准均未将断口外观视为能量、韧性或服役资格鉴定的替代指标。 ![钢材冲击韧性与夏比试验](/images/uploads/d45cbdd9-357d-498f-a018-ddde10f7677c/wiki-inline-a-broken-steel-charpy-specimen-showing-contrasting-ductile-shear-and-cleavage-fr-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/d45cbdd9-357d-498f-a018-ddde10f7677c/wiki-inline-a-broken-steel-charpy-specimen-showing-contrasting-ductile-shear-and-cleavage-fr-2027x2560.avif "放大图片 — 钢材冲击韧性与夏比试验")Fracture appearance adds evidence about how the absorbed impact energy was spent. ### 识别韧性断裂和解理断裂特征 韧性剪切区域通常呈纤维状、暗淡或撕裂状外观。裂纹通过显著的塑性变形向前扩展，通常经历微孔形核、长大和聚合过程。在断口表面，这一机制可能形成较为粗糙的纹理，并在自由表面附近产生倾斜的剪切唇。相应的试验通常会记录到较高的吸收能量，因为试样在完全分离前会发生较明显的变形。 解理断裂通常更加明亮，呈现出类似晶体的外观，并具有相对平坦的解理面和河流花样，表明裂纹沿优先取向的晶体学平面快速扩展。与韧性撕裂相比，解理断裂所涉及的宏观塑性变形要少得多。以解理断裂为主的断面通常伴随较低的冲击能量结果，但在解读视觉外观时，必须考虑试样取向、钢种、温度、缺口状态和检查方法。断裂表面并不能构成完整的金相学诊断。 这种转变通常表现为混合状态，而不是突然发生。一个试样可能在外表面存在韧性撕裂，而在靠近缺口处存在解理区域；也可能存在彼此分离的韧性区域和解理区域，其间由清晰可见的边界分隔。报告剪切断裂比例（通常以断口表面的百分比表示），可以显示材料正在经历从韧性到脆性的转变，即使能量值彼此重叠。例如，两个试样可能吸收相近的能量，但其中一个主要呈纤维状断裂，另一个则含有相当大的解理区域；这两种结果对于低温裂纹扩展所发出的警示并不相同。 断口外观还有助于揭示数据离散性。Charpy 能量会受到缺口尖锐度、局部夹杂物、晶粒结构、试样取向和试验温度的影响。单一平均值可能掩盖某个具有异常大解理区域的试样。检查断裂面可以对实测能量是否与预期断裂模式相符提供实物层面的验证。 不应将这些证据误称为平面应变断裂韧度。NIST 将 Charpy 试验描述为一种高加载速率试验，用于测量断裂过程中吸收的能量，并间接测量冲击韧性。相关性关系可以用于估算铁素体钢的下限断裂韧度，但对于下平台、转变区和上平台行为，适用的关系式各不相同。Charpy 值并不是直接测得的 KIC、JIC 或止裂测量值。 ### 作为报告结果的剪切断裂外观 剪切断裂外观应与吸收能量、试验温度、试样取向和标识信息一并报告。在基于标准开展的工作中，用于确定剪切比例的方法十分重要；如果不说明依据，不应混用目视估算、比较程序和测量约定。报告应注明试样采用的是标准 V 形缺口还是 U 形缺口构型，以及是否存在侧向开槽等改动。 随着温度升高，剪切比例增加通常支持断裂模式从解理断裂向韧性断裂转变。但剪切比例本身并不能确定一个普适的转变温度。工程师可以根据能量准则、剪切面积准则或规定的组合准则来定义转变温度，而这些温度不一定相同。因此，必须说明所采用的判据。 仪器化试验可以提供有关加载过程和断裂事件的更多信息。ISO 14556:2023 涵盖仪器化 Charpy V 形缺口试验，以及用于测量和记录冲击行为的设备；仪器化试验不属于 ISO 148-1:2016 的范围。这些方法有助于区分起裂和扩展特征，但仍要求对几何形状、材料状态、温度和取向进行控制。 取样方式也会影响结果解读。ASTM A673/A673M 规定了结构钢纵向 Charpy V 形缺口试验的取样程序，并区分了炉批试验和单件试验的频次。因此，一张断口照片和一个能量值描述的是某个具体试验试样；它们并不自动代表每一块钢板、每一件产品或每一炉钢。 ### NIST 关于带侧向开槽 Charpy 试样的研究结果 NIST 于 2011 年对带侧向开槽 Charpy 冲击试验进行的评估发现，侧向开槽改变的不仅是试样的外形。在上平台能量范围内，侧向开槽会减少塑性变形的积累并促进分裂。报告的分裂严重程度在韧性—脆性转变温度附近最大。 分裂是一种纵向分离或撕裂特征，可以在主断裂路径前方或其旁侧形成。侧向开槽会引导变形并改变试样宽度方向上的约束状态，从而改变裂纹扩展过程和最终的断口形貌。它们可能使断口表面显得更加分段化，并且会影响测得的能量以及韧性区域与解理区域之间的分布。 因此，不应随意比较带侧向开槽的 Charpy 试样与常规 Charpy 试样。改变后的几何形状会影响约束、塑性变形、裂纹扩展以及发生分裂的可能性。带侧向开槽的结果可能适用于特定的研究或资格鉴定目的，但它并不是标准结果的简单“增强缺口”版本。几何形状、缺口形式、槽尺寸、取向、温度和报告方法必须与预期的比较目的相匹配。 NIST 的研究结果还进一步说明了冲击能量的核心局限：单独的数值并不能确定断裂机制。应结合能量、剪切面积、解理特征和分裂现象进行综合解读，同时明确适用的标准和试样设计。 ## 仪器化夏比试验及其可显示的额外信号 仪器化夏比试验在普通摆锤冲击试验的基础上增加测量通道。机器不再只记录锤头的初始能量和最终能量，还会记录施加于试样的力及其在试验过程中的变化。这些额外记录可以显示试样何时开始失去承载能力、裂纹扩展前完成了多少功，以及裂纹起始后断裂如何发展。但这并不会使夏比试样变成常规断裂韧度试样。 ISO 148-1:2016规定了金属材料的夏比V形缺口和U形缺口摆锤冲击试验，但仪器化试验不属于该方法的范围。单独的标准ISO 14556:2023规定了仪器化夏比V形缺口摆锤冲击试验，以及用于获取冲击条件下断裂行为附加信息的测量和记录设备。ASTM E23涵盖夏比简支梁和伊佐德悬臂梁冲击试验，包括试样要求、试验程序、机器验证、报告以及剪切断口外观的测定；仪器化结果仍取决于适用的试验标准和报告要求。 ![钢材冲击韧性与夏比试验](/images/uploads/a0913c6e-30f6-4695-9735-b4ff08dc2948/wiki-inline-instrumented-charpy-testing-with-force-time-and-cumulative-energy-traces-during-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/a0913c6e-30f6-4695-9735-b4ff08dc2948/wiki-inline-instrumented-charpy-testing-with-force-time-and-cumulative-energy-traces-during-1920x1288.avif "放大图片 — 钢材冲击韧性与夏比试验")Instrumented Charpy testing records how force and absorbed work change throughout the impact event. ### 力—时间和能量—时间信息 常规夏比试验结果通常报告为冲击吸收能量，常用单位为焦耳。NIST将夏比试验描述为一种高加载速率试验，用于测量断裂过程中吸收的能量，并间接反映冲击韧度。仪器化测量增加了力—时间曲线，通常还会得到力—位移曲线或力—能量曲线，据此可以计算总功。简而言之，力—位移曲线下的面积代表传递给试样的机械功，而能量—时间曲线则显示该功累积的速率。 曲线的形状十分重要。初始阶段的陡升可能反映缺口韧带的弹性和塑性加载。最大力可能标志着试样达到其最大承载力，但最大力并不必然等同于物理裂纹起始。下降段可能表示裂纹扩展、塑性塌陷、冲击头接触状态变化，或这些效应的组合。因此，必须结合试样几何形状、冲击头构型、支承跨度、冲击速度和试验温度来解释信号。 有意义的曲线首先取决于测量质量。力传感器、位移或速度测量、计时、放大器带宽、数据采集速率以及校准，都会影响记录的曲线。机械振动可能产生类似断裂事件的振荡。滤波可以去除噪声，但过度滤波也可能使峰值发生偏移，或掩盖短暂的起始事件。机器柔度和冲击头质量会影响记录信号与试样实际承受的力之间的关系。 还应将仪器化测得的积分能量与机器常规测得的吸收能量结果进行核对。两者并不保证一致：摩擦、摆锤损失、夹具效应、校准误差以及所采用的力—位移重构方法，都可能造成差异。定期进行机器验证仍然具有重要意义。ISO 148-2和ASTM E23提供了验证途径，包括NIST所述夏比试验机验证计划（Charpy Machine Verification Program）中的认证试样。 ### 冲击条件下的起始与扩展行为 力记录的一项重要用途，是将整个事件划分为不同阶段。在裂纹扩展之前，缺口韧带可能经历弹性和塑性变形。如果随后发生裂纹起始，力—时间曲线可能显示斜率变化、局部最大值、突然下降，或由分析程序所选定的其他特征。达到所选起始点之前的功可称为起始能量，其余功则与后续裂纹扩展和试样变形有关。 这些术语描述的是一种分析方法，并不自动代表无可争议的物理事实。裂纹起始可能发生在明显的力下降之前，尤其是在稳定的韧性撕裂逐渐发展时。反之，信号的急剧变化也可能源于机器效应或接触效应，而不是新裂纹的形成。可能需要高速成像、试后断口检查、柔度分析或辅助传感器，才能确认某一特征所代表的现象。 在铁素体钢的韧脆转变过程中，这一区分尤其具有信息价值。在较低温度下，解理断裂可能导致承载力迅速丧失，并伴随相对较小的变形。在较高温度下，韧性撕裂和塑性变形可能在曲线较长的一段时间内消耗更多能量。断口外观提供了必要的核查：与以解理断裂为主的区域相比，剪切区和纤维区通常支持不同的解释，即使两个试样具有相近的总能量。 试样取向和材料状态仍然是结果的一部分。ASTM A673/A673M规定了结构钢纵向夏比V形缺口试验的取样程序，并区分了按炉次检验和按单件检验的频次。一个取样位置得到的详细力曲线，不能据此确定所有取向、板厚、焊缝区域或热处理状态下的材料行为。 NIST于2011年对带侧槽夏比试样的评估发现，侧槽会减少上平台能量下塑性变形的累积并促进分裂；在韧脆转变温度附近，分裂程度最大。这类几何形状变化可能改变受力历程和断口外观。在比较不同数据集时，不应将其视为一种微小改动。 ### 将仪器化数据转换为断裂韧度的局限性 仪器化夏比数据可以支持断裂力学计算，但这种转换需要规定的分析程序、经过验证的标定，以及关于裂纹几何形状、变形、加载速率和材料行为的假设。仅凭力—时间曲线，无法得到有效的临界应力强度因子KIc，也无法得到有效的平面应变JIc值。 标准断裂韧度试验采用疲劳预制裂纹试样、受控尺寸、裂纹尺寸测量、有效性要求，以及平面应变或弹塑性韧度判据。机加工的夏比V形缺口具有不同的缺口半径、韧带几何形状、加载方式，并且约束水平通常也不同。动态加载还会进一步改变材料响应。即使仪器化曲线能够估算起始能量或与裂纹扩展相关的力，该估算值也不会自动等同于断裂韧度。 对于铁素体钢，可以通过规定的相关关系将夏比能量与断裂韧度下限联系起来，但下平台、转变区和上平台行为分别适用不同的关系。温度、缺口几何形状、试样取向、断口外观和材料状态必须与该数值一并报告。裂纹止裂行为又是另一个问题：落锤撕裂试验通过冲击温度范围内的韧性剪切和解理断裂比例来表征管线钢的裂纹止裂能力，而不是用其结果替代夏比数据或断裂韧度数据。 因此，仪器化试验增加的是证据，而不是一种通用的换算系数。只有在设备经过验证、信号清晰并完成校准、试样和温度均有记录，且明确说明起始或扩展判据时，才能对其作出最有力的解释。 ## 从夏比冲击功到断裂韧度与裂纹止裂 夏比冲击功并不是断裂韧度值。它是标准化缺口试样在高加载速率的摆锤冲击下断裂时所吸收的能量。NIST 将该结果描述为冲击韧度的间接测量，而不是对 KIC、JIC 或裂纹尖端张开位移等裂纹尖端参数的直接测量。这一区分十分重要，因为小型夏比试样与大型含裂纹结构部件所经历的约束条件、裂纹尺寸、应力状态和塑性区尺寸各不相同。 ASTM E23 涵盖夏比简支梁冲击试验和 Izod 悬臂梁冲击试验，而 ISO 148-1:2016 规定了金属材料的夏比 V 形缺口和 U 形缺口摆锤冲击试验。仪器化冲击试验属于另一类试验：ISO 14556:2023 针对仪器化夏比 V 形缺口试验，并记录断裂过程中的力、位移和能量。试验机验证也会影响结果的可信度。ASTM E23 和 ISO 148-2 要求定期进行验证，包括使用经认证的参考试样进行试验；NIST 也运行夏比试验机验证计划。 因此，所报告的焦耳值描述的是特定试样、缺口、取向、温度、试验速率和材料状态下的结果。ASTM A673/A673M 还对结构钢提出了另一项限定：该标准规定了纵向夏比 V 形缺口试验的取样程序，并区分了炉批试验和单件试验的频次。取样方式也是结果含义的一部分。一个选定试样所得的数值，不能自动代表每一块钢板、焊缝邻近区域、轧制方向或服役温度下的性能。 ### 铁素体钢的条件性关联 对于铁素体钢，当某种关联关系已经针对相关钢种类别和断裂状态建立时，夏比冲击功可以用于估算断裂韧度下限。这一点很有用，因为随着温度下降，铁素体钢通常会表现出韧性—脆性转变。其冲击功曲线可能包含下平台、转变区和上平台，而吸收能量与抗断裂能力之间的关系会随这些区域的变化而改变。 下平台、转变区和上平台行为分别适用不同的关系式。不能仅仅因为两个数值都以焦耳表示，就把针对上平台选定的关联关系应用于下平台结果。在转变区内，温度的微小变化可能导致断裂模式和测得能量发生显著变化，因此，获得夏比冲击值时的温度至关重要。断口形貌可提供第二项证据：以解理断裂为主的断裂通常吸收较少能量，而延性撕裂通常会产生更大的塑性变形和更高的吸收能量。 即使在铁素体钢内部，化学成分、晶粒尺寸、强度等级、热处理、钢板厚度、轧制方向、缺口尖锐度以及辐照或热老化等因素，也可能改变这种关系。因此，关联关系是一种有条件的模型，而不是将焦耳直接换算为断裂韧度的通用转换方法。对于规定的材料群体、温度范围、试样取向和有效性条件，它可以提供保守的筛选性估计。但它不会把常规夏比试验结果变成平面应变断裂韧度测量值。 试样本身也会影响结果的解释。在 NIST 于 2011 年发表的一项研究中，带侧槽的夏比试样在上平台能量下表现出较少的塑性变形累积和更多的分裂；在韧性—脆性转变温度附近，分裂程度最大。这一发现进一步说明，即使改变夏比试样的几何形状，也可能改变断裂过程，因此不能将其视为与普通 V 形缺口试样可以互换。 ### 下限估计及其局限性 下限估计旨在避免宣称证据所不能支持的断裂抗力。对于初步筛选、按照规定程序进行的完整性评估，或某项规范、法规实践明确允许采用基于夏比试验的关系式的情形，下限估计可能是合适的。该估计必须保留其适用条件，包括材料类别、屈服强度范围、取向、温度、缺口构型、能量范围，以及所估算的断裂韧度参数。 下限并不能保证某个部件能够抵抗所有裂纹。夏比试样尺寸较小，其断裂所受的约束可能低于含有尖锐疲劳裂纹的厚壁部件。因此，结构裂纹所经历的应力场可能不同于机械加工夏比缺口处的应力场。厚度、残余应力、焊接缺陷、加载速率、裂纹尺寸和双轴应力状态，都可能降低简单能量关联关系的适用性。在室温下测得的数值，对于更低服役温度下的行为也说明有限，除非已经建立了转变曲线。 只要涉及脆性断裂风险，能量值就应与断口形貌和转变温度数据一并考虑。单个上平台结果可能掩盖低温下陡峭的转变过程；下平台结果则可能表明解理断裂已经处于控制地位。当评估依赖于在规定约束条件和有效性要求下获得的合格 K、J 或裂纹尖端张开位移值时，仍有必要进行直接断裂韧度试验。 ### 落锤撕裂试验的不同之处 落锤撕裂试验回答的问题不同于夏比试验。它最初是为评价管线钢的裂纹止裂行为而开发的，并不只是用于按照小型试样吸收的冲击能量对材料进行排序。试验中，在受控冲击条件下冲击一条相对较长的带缺口试样，并在一系列温度下检查所得断口。评估重点是延性剪切断裂和解理断裂所占的比例，包括在断裂模式发生变化时，运行中的裂纹是否仍能停止扩展。 夏比试验考察标准化缺口试样在断裂前吸收了多少能量，并可报告吸收能量、侧向膨胀量和剪切断口形貌。落锤撕裂试验则考察管线钢中的扩展裂纹如何运动，以及断口如何在延性撕裂与解理断裂之间发生变化。两种试验都可能揭示韧性—脆性转变，但其几何形状、试样尺寸、加载响应和工程输出均不相同。 应使用夏比试验确定规定材料和取向下的冲击能量及转变行为。只有在明确说明适用条件时，才应采用经允许的夏比关联关系来估算断裂韧度下限。当工程问题涉及管线钢中的长程裂纹扩展和裂纹止裂时，应采用落锤撕裂试验。任何一种试验结果都不能单独回答另一种试验所针对的问题。 ## 参考文献 1. \[1\] International Organization for Standardization. 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