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材料力學(xué)性能及試驗(yàn)簡(jiǎn)述

材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

1.1 拉伸試驗(yàn)

1.1.1 概述

拉伸試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在靜態(tài)軸向拉伸力不斷作用下以規(guī)定的拉伸速度拉至斷裂,并在拉伸過(guò)程中連續(xù)記錄力與伸長(zhǎng)量,從而求出其強(qiáng)度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗(yàn)。

強(qiáng)度指標(biāo):彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度;

塑性指標(biāo):斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。

1.1.2 概念

應(yīng)力:應(yīng)力是在它所作用面積上的力,用N/mm²表示,在米制單位中,用千帕(kPa)或兆帕(MPa)表示。    

應(yīng)變:是被測(cè)試材料尺寸的變化率,它是加載后應(yīng)力引起的尺寸變化。由于應(yīng)變是一個(gè)變化率,所以它沒(méi)有單位。

原始標(biāo)距(L_o):施力前的試樣標(biāo)距。

斷后標(biāo)距(L_u):試樣斷裂后的標(biāo)距。

平行長(zhǎng)度(L_c):試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長(zhǎng)度。

斷后伸長(zhǎng)率(A):是斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)(L_u-L_o)與原始標(biāo)距(L_o)之比的百分率。

斷面收縮率(Z):斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(S_o-S_u)與原始橫截面積(^So)之比的百分率。

最大力(F_m):試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力。

屈服強(qiáng)度:當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí),在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。

上屈服強(qiáng)度:試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力。

下屈服強(qiáng)度:在屈服期間,不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力。

1.1.3 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以低碳鋼的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線為例。

OB—彈性階段,BC—屈服階段

CD—強(qiáng)化階段,DE—頸縮階段

試樣在各階段變化的示意圖

a是低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,它有鋸齒狀的屈服階段,分上下屈服,均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸,然后試樣斷裂;

b是中碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,它有屈服階段,但波動(dòng)微小,幾乎成一條直線,均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸,然后試樣斷裂。

c是淬火后低、中溫回火鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,它無(wú)可見(jiàn)的屈服階段,均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸,然后試樣斷裂;

d是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,它不僅無(wú)屈服階段,而且在產(chǎn)生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。

1.1.4 拉伸試樣形狀及尺寸

拉伸試樣的一般形狀

圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)

矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)

矩形截面非比例試樣

薄板非比例試樣

經(jīng)過(guò)機(jī)加工試樣

不經(jīng)機(jī)加工試樣

1.1.5 拉伸試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

(1)取樣與制樣

取樣部位、取樣方向、取樣數(shù)量是對(duì)材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個(gè)因素,被稱為取樣三要素。

樣坯的切取部位、方向和數(shù)量應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能取樣位置及試樣制備》或協(xié)議的規(guī)定。

取樣方法

從原材料(型材、棒材、板材、管材、絲材、帶材等)上直接取樣試驗(yàn);

從產(chǎn)品上的重要部位(最薄弱、最危險(xiǎn)的部位)取樣試驗(yàn);

以實(shí)物零件直接試驗(yàn),如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等;

以澆注的鑄件試樣直接試驗(yàn)或經(jīng)加工成試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)試樣加工

防止冷變形或受熱而影響其力學(xué)性能。通常以切削加工為宜。

平行段應(yīng)光滑,無(wú)加工硬化,無(wú)缺口、刀痕、毛刺等缺陷;

脆性材料夾持部分與平行段應(yīng)有較大半徑的圓弧過(guò)渡;

不經(jīng)機(jī)加工鑄件試樣表面上的夾砂、夾渣、毛刺、飛邊等必須加以清除。

(3)試樣檢查、標(biāo)記

試驗(yàn)前應(yīng)先檢查試樣外觀是否符合要求。

試樣原始標(biāo)距一般采用細(xì)劃線或墨線進(jìn)行標(biāo)定,所采用的方法不能影響試樣過(guò)早斷裂。

對(duì)于特薄或脆性材料,可在試樣平行段內(nèi)涂上快干著色涂料,再輕輕劃上標(biāo)線。

(4)尺寸測(cè)量(試樣的原始橫截面積)

圓形截面試樣:圓形在標(biāo)距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個(gè)方向測(cè)量直徑,以各處兩個(gè)方向測(cè)量的直徑的算術(shù)平均值計(jì)算橫截面積;取三處測(cè)得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。(S₀=1/4πd₀²)

矩形截面試樣:在標(biāo)距兩端及中間三處橫截面上測(cè)量寬度和厚度,取三處測(cè)得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。(S₀=a₀×b₀)

1.1.6 拉伸試驗(yàn)設(shè)備

拉力試驗(yàn)機(jī)又名萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是用來(lái)針對(duì)各種材料進(jìn)行儀器設(shè)備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等力學(xué)性能試驗(yàn)用的機(jī)械加力的試驗(yàn)機(jī)。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)組成:加載機(jī)構(gòu)、夾樣機(jī)構(gòu)、記錄機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn):《GB/T 16491-2008 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》

夾持裝置用于對(duì)不同形狀、尺寸和材質(zhì)的試樣能順利進(jìn)行試驗(yàn)。引伸計(jì)用于測(cè)定微小塑性變形的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x。

試驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn):

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):《GB/T 16825.1-2008 靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn) 第1部分:拉力和壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》、《GB/T 16825.2-2005靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn) 第2部分:拉力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī) 施加力的檢驗(yàn)》

引伸計(jì):《GB/T 12160-2002 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)定》

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及其構(gòu)造

氣動(dòng)夾具(左)、液壓夾具(右)

CSS2210 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)(左)、WDW-100 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)(右)

1.1.7 拉伸試驗(yàn)步驟

1.2 性能指標(biāo)

1.2.1 彈性

彈性模量E(E=σ/ε)表征材料抵抗正應(yīng)變的能力。工程上彈性模量被稱為材料的剛度,表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力,其值越大,則在相同的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的彈性變形量越小。

比彈性模量為彈性模量與密度的比值。

1.2.2 強(qiáng)度

材料強(qiáng)度的大小通常用單位面積上所承受的力來(lái)表示。(單位:Pa、MPa、N/m²)

抗拉強(qiáng)度(或強(qiáng)度極限)是指試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力,用來(lái)表征材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。

上屈服強(qiáng)度:R_eH=F_eH/S₀

下屈服強(qiáng)度:R_eL=F_eL/S₀

抗拉強(qiáng)度:R_m=F_m/S₀

oa——總變形;ba—彈性變形99.8%;塑性變形0.2%

(條件屈服強(qiáng)度: R_p0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力)

硬鋼(高碳鋼)強(qiáng)度高,塑性差,拉伸過(guò)程無(wú)明顯屈服階段,無(wú)法直接測(cè)定屈服強(qiáng)度,用條件屈服強(qiáng)度來(lái)代替屈服強(qiáng)度。

1.2.3 塑性

金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形,頸縮后頸縮區(qū)的塑性變形是集中塑性變形。

試件拉斷后,彈性變形消失,但塑性變形仍保留下來(lái)。工程上用試件拉斷后遺留下來(lái)的變形表示材料的塑性指標(biāo)。

常用的塑性指標(biāo)有兩個(gè):斷后伸長(zhǎng)率A=[(L_u-L₀)/L₀]×100%,斷面收縮率Z=[(S₀-S_u)/S₀] ×100%。

1.2.4 應(yīng)變硬化

在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中,應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系,即S=Keⁿ(n為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù))。

應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了材料開(kāi)始屈服后,繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變硬化情況,它決定了材料開(kāi)始發(fā)生緊縮時(shí)的最大應(yīng)力σ_b。形變硬化是提高材料強(qiáng)度的重要手段。

工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與真應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比

1.2.5 韌性

韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。

韌度是度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo),分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。

靜力韌度是指金屬材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功,是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。韌度為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。

1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能

2.1 壓縮試驗(yàn)

2.1.1 概述

壓縮試驗(yàn)是測(cè)定材料在軸向靜壓力作用下的力學(xué)性能的試驗(yàn),是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本方法之一。主要用于測(cè)定金屬材料在室溫下單向壓縮的屈服點(diǎn)和脆性材料的抗壓強(qiáng)度。

壓縮性能是指材料在壓應(yīng)力作用下抗變形和抗破壞的能力。

工程實(shí)際中有很多承受壓縮載荷的構(gòu)件,如大型廠房的立柱、起重機(jī)的支架、軋鋼機(jī)的壓緊螺栓等。這就需要對(duì)其原材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)評(píng)定。

2.1.2 概念

壓縮屈服強(qiáng)度:當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí),試樣在試驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到力不在增加而繼續(xù)變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力。

上壓縮屈服強(qiáng)度:試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高壓縮應(yīng)力。

下壓縮屈服強(qiáng)度:屈服期間不計(jì)瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低壓縮應(yīng)力。

抗拉強(qiáng)度:對(duì)于脆性材料,試樣壓至破壞過(guò)程中的最大壓縮應(yīng)力。

壓縮彈性模量:試驗(yàn)過(guò)程中,軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變呈線性比例關(guān)系范圍內(nèi)的軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變的比值。

2.1.3 試驗(yàn)設(shè)備儀器及試樣

設(shè)備儀器:(1)材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī);(2)游標(biāo)卡尺。

壓縮試樣通常為柱狀,橫截面有圓形和方形兩種。

試樣受壓時(shí),兩端面與試驗(yàn)機(jī)壓頭間的摩擦力會(huì)約束試樣的橫向變形,且試樣越短,影響越大;但試樣太長(zhǎng)容易產(chǎn)生縱向彎曲而失穩(wěn)。

2.1.4 壓縮試驗(yàn)的力學(xué)分析

低碳鋼試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上,受到軸向壓力F作用,試樣產(chǎn)生變形量△l兩者之間的關(guān)系如圖。

低碳鋼壓縮時(shí)也有彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段。低碳鋼壓縮變形,不會(huì)斷裂,由于受到上下兩端摩擦力影響,形成“鼓形”。

試樣直徑相同時(shí),低碳鋼壓縮曲線和拉伸曲線的彈性階段幾乎重合,屈服點(diǎn)也基本一致。

低碳鋼是塑性材料,試樣屈服后,塑性變形迅速增長(zhǎng),其橫截面積也隨之增大,增加的面積又能承受更大的載荷,所以只能測(cè)得屈服極限,無(wú)法測(cè)得強(qiáng)度極限。

鑄鐵試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上,受到軸向壓力F作用,試樣產(chǎn)生變形量△l兩者之間的關(guān)系如圖。

灰鑄鐵的抗壓強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的3-4倍。

鑄鐵在較小變形下出現(xiàn)斷裂,略成“鼓形”,斷面的法線與軸線成45—55度;

試樣直徑相同時(shí),鑄鐵壓縮曲線和拉伸曲線差異較大,其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。

2.2  彎曲試驗(yàn)

2.2.1 概述

彎曲性能指材料承受彎曲載荷時(shí)的力學(xué)性能。

彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)材料在受彎曲載荷作用下的性能,許多機(jī)器零件(如脆性材料制作的刀具、橫梁、車軸等)是在彎曲載荷下工作的,主要用于測(cè)定脆性和低塑性材料(如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強(qiáng)度并能反映塑性指標(biāo)的撓度;彎曲試驗(yàn)還可用來(lái)檢查材料的表面質(zhì)量。

試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行,所以也稱為冷彎試驗(yàn)。

2.2.2 概念

撓度:彎曲變形時(shí)橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移;

彎曲應(yīng)力:彎曲時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力;

彎曲應(yīng)變:試樣跨度中心外表面上單元長(zhǎng)度的微量變化;

彎曲彈性模量:彎曲應(yīng)力與彎曲應(yīng)變呈線性比例關(guān)系范圍內(nèi)的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變之比。

彎曲強(qiáng)度:在達(dá)到規(guī)定撓度值時(shí)或之前,負(fù)荷達(dá)到最大值時(shí)的彎曲應(yīng)力;

2.2.3 彎曲試驗(yàn)原理

將一定形狀和尺寸的試樣放置于一定跨距L的支座上,并施加一集中載荷,使試樣產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和變形。

彎曲試驗(yàn)分為三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲,三點(diǎn)彎曲是最常用的試驗(yàn)方法。

2.2.4 彎曲試樣及試驗(yàn)裝置

彎曲試驗(yàn)試樣的橫截面形狀可以為圓形、方形、矩形和多邊形,但應(yīng)參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的規(guī)定;

室溫下可用鋸、銑、刨等加工方法截取,試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕,棱邊必須銼圓,其半徑不應(yīng)大于試樣厚度的1/10;

彎曲試驗(yàn)通常在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)或壓力機(jī)上進(jìn)行;常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式、板式等。

2.2.5 彎曲試驗(yàn)的力學(xué)分析

彎曲曲線是通過(guò)彎曲試驗(yàn)得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關(guān)系曲線。

試樣彎曲時(shí),受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力:σ=M/W。(M—最大彎矩,三點(diǎn)彎曲:M=FLs/4;四點(diǎn)彎曲:M=Fa/2;W—抗彎截面系數(shù),對(duì)于直徑為d的圓形試樣:W=πd³/32;對(duì)于寬帶為b,高為h的矩形試樣:W=bh²/6。

2.2.6 性能指標(biāo)

抗彎強(qiáng)度——試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的,按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算得到的最大彎曲應(yīng)力,用符號(hào)σ_bb表示:σ_bb=M_b/W(M_b—斷裂時(shí)的彎矩)

灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能。

斷裂撓度f_bb——將試樣對(duì)稱地安放在彎曲試驗(yàn)裝置上,撓度計(jì)裝在試樣中間的測(cè)量位置上,對(duì)試樣連續(xù)施加彎曲力,直至試樣斷裂,測(cè)量試樣斷裂瞬間跨距中點(diǎn)的撓度。

2.3 剪切試驗(yàn)

2.3.1 概述

剪切試驗(yàn)用于測(cè)試材料的剪切強(qiáng)度,剪切試驗(yàn)實(shí)際上就是測(cè)定試樣剪切破壞時(shí)的最大錯(cuò)動(dòng)力。

受剪切力作用的工程結(jié)構(gòu)件有螺栓、銷釘、鉚釘?shù)取?/p>

作用在試樣兩個(gè)側(cè)面的載荷,其合力為大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對(duì)力,如圖所示:

2.3.2 剪切試驗(yàn)分類

一般分為單剪試驗(yàn)、雙剪試驗(yàn)、沖孔試驗(yàn)、開(kāi)縫剪切試驗(yàn)和復(fù)合鋼板剪切試驗(yàn)等。

2.3.4 試樣及試驗(yàn)裝置

剪切試樣根據(jù)剪切試驗(yàn)方法和夾具確定。

圓柱形試樣:試樣直徑和長(zhǎng)度根據(jù)夾具確定,一般取直徑為5,10,15mm。沖孔板狀試樣:薄板不能做成圓柱形試樣時(shí),可用沖孔剪切試樣,板狀試樣厚度一般小于5mm。實(shí)際零件剪切試樣:用實(shí)際零件如鉚釘、螺栓等。

2.3.5 剪切性能的測(cè)定

室溫剪切試驗(yàn)應(yīng)在10~35℃下進(jìn)行;

對(duì)不同的試樣,選擇合適的裝置,裝置安裝時(shí),與試驗(yàn)機(jī)的壓頭中心線一致,不   得偏心;

剪切試驗(yàn)速度≯15mm/min,高溫≯5mm/min;

高溫剪切試驗(yàn):試驗(yàn)升溫時(shí)間≯1h,保溫時(shí)間為15～30min。

2.3.6 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試樣剪斷后,記下剪切試驗(yàn)過(guò)程的最大試驗(yàn)力F。按以下公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度τ_b,MPa。

單剪抗剪強(qiáng)度:τ_b=F/S₀(S₀—試樣原始橫截面積,mm²)

雙剪抗剪強(qiáng)度:τ_b=F/2S₀=2F/(πd²)(S₀—試樣原始橫截面積,mm²)

雙剪抗剪強(qiáng)度:τ_b=F/(πd₀t)(d₀—沖孔直徑,mm²;t——試樣厚度,mm)

抗剪強(qiáng)度的計(jì)算精確到3位有效數(shù)。

剪斷后發(fā)生彎曲、斷口出現(xiàn)鍥形、橢圓形等剪切截面,結(jié)果無(wú)效,應(yīng)重做。

2.4    扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.4.1 概述

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定材料抵抗扭矩作用的一種試驗(yàn),是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本試驗(yàn)方法之一。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是對(duì)試樣施加扭矩T,測(cè)量扭矩T及相應(yīng)的扭角φ ,繪制出扭轉(zhuǎn)曲線圖,一般扭至斷裂,以便測(cè)定金屬材料的各項(xiàng)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)。

在機(jī)械、石油、冶金等工程中有許多機(jī)械零部件承受扭轉(zhuǎn)載荷作用的實(shí)例,如如軸、彈簧等需進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)較大,因而可用于測(cè)定那些在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料。如:淬火低溫回火工具鋼的塑性。

圓柱試件在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形始終是均勻的。試件截面及標(biāo)距長(zhǎng)度基本保持不變,不會(huì)出現(xiàn)靜拉伸時(shí)試件上發(fā)生的頸縮現(xiàn)象。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明確地區(qū)分材料的斷裂方式,正斷或切斷。對(duì)于塑性材料,斷口與試件的軸線垂直,斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),試件截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布表明,該試驗(yàn)對(duì)金屬表面缺陷顯示很大的敏感性。因此,可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),試件受到較大的切應(yīng)力,因而還被廣泛地應(yīng)用于研究有關(guān)初始塑性變形的非同時(shí)性的問(wèn)題。如彈性后效、彈性滯后以及內(nèi)耗等。

2.4.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的應(yīng)用

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可用于測(cè)定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué)性能指標(biāo),并且還有著其他力學(xué)性能試驗(yàn)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

扭轉(zhuǎn)斷口形態(tài)

(a—切斷斷口,b—正斷斷口,c—層狀斷口)

塑性材料斷口與試件的軸線垂直,斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡(圖a),這是由切應(yīng)力造成的切斷;

脆性材料斷口約與試件軸線成45度成螺旋狀(圖b);
如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低,扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口(圖c)。

可以根據(jù)斷口特征,判斷產(chǎn)生斷裂的原因以及材料的抗扭強(qiáng)度和抗拉(壓)強(qiáng)度相對(duì)大小。

2.4.3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的原理

在試驗(yàn)過(guò)程中,隨著扭矩的增大,試件標(biāo)距兩端截面不斷產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),使扭轉(zhuǎn)角的增大,利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置繪出曲線,即M_n—φ曲線(又稱扭轉(zhuǎn)圖)來(lái)描述。

根據(jù)材料性能的不同,扭轉(zhuǎn)曲線可以分為兩種典型——低碳鋼和鑄鐵。

扭轉(zhuǎn)圖與拉伸試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似,這是因?yàn)樵谂まD(zhuǎn)時(shí)試件的形狀不變,其變形始終是均勻的,即使進(jìn)入塑性變形階段,扭矩仍隨變形的增大而增加,直至試件斷裂。

屈服強(qiáng)度τ_s=(3/4)(M_s/W_n)

抗扭強(qiáng)度極限τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

鑄鐵的M_n—φ 曲線加載到一定程度就較明顯地偏離了直線直至斷裂。說(shuō)明鑄鐵扭斷前的塑性變形較拉伸時(shí)明顯。鑄鐵斷裂時(shí)的最大剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限記作τ_b。

τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

2.4.4 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試樣

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,分為圓柱形試樣和管形試樣兩類。

圓柱形試樣推薦采用直徑為10mm,標(biāo)距分別為50mm和10mm,平行長(zhǎng)度分別為70mm和120mm的試樣。如采用其他直徑的試樣,其平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。

管形試樣的平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍外直徑。

2.3.5 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的儀器設(shè)備

允許使用不同類型的機(jī)械式或電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)扭矩示值相對(duì)誤差應(yīng)不大于士1%,應(yīng)由計(jì)量部門定期進(jìn)行檢定;

試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)機(jī)兩夾頭中之一應(yīng)能沿軸向自由移動(dòng),對(duì)試樣無(wú)附加軸向力,兩夾頭保持同軸;

試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩,無(wú)沖擊和震動(dòng),在30s內(nèi)保持扭矩恒定。

允許使用不同類型的扭轉(zhuǎn)計(jì)測(cè)量扭角,如鏡式扭轉(zhuǎn)計(jì)、表式扭轉(zhuǎn)計(jì)、電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)等,推薦使用電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)。

1—試樣;2—固定夾塊;3—緊定螺母;

4—旋轉(zhuǎn)夾塊;5—標(biāo)距標(biāo)尺;6—數(shù)字百分表

2.3.6 相關(guān)力學(xué)性能

試驗(yàn)條件:試驗(yàn)應(yīng)在室溫10～35℃下進(jìn)行;扭轉(zhuǎn)速度:屈服前應(yīng)在3°～30°/min范圍內(nèi),屈服后不大于720°/min。速度的改變應(yīng)無(wú)沖擊。

(1)剪切模量的測(cè)定

用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線的彈性直線段上讀出扭矩增量和扭角增量。

扭矩—扭角曲線

剪切模量:G=(△TL_e)/(△ΦI_p)

L_e—扭轉(zhuǎn)計(jì)標(biāo)距;I_p—極慣性矩

在彈性直線段范圍內(nèi),用不少于5級(jí)等扭矩對(duì)試樣加載。記錄每級(jí)扭矩和相應(yīng)的扭角,計(jì)算出平均每級(jí)扭角增量,按圖解法中公式計(jì)算剪切模量G。

(2)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定

用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線上延長(zhǎng)彈性直線段交扭角軸于O點(diǎn),截取OC段,過(guò)C點(diǎn)作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點(diǎn),A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩為T_p。

規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度:τ_b=T_p/W

(3)上、下屈服強(qiáng)度的測(cè)定

采用圖解法或指針?lè)y(cè)定,試驗(yàn)時(shí)用自動(dòng)記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線,或直接觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤指針的指示。

首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩,屈服階段中不計(jì)初始瞬間效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩。

上屈服強(qiáng)度:τ_eH=T_eH/W

下屈服強(qiáng)度:τ_eL=T_eL/W

(4)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定

對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩,直至扭斷。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線或試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤上讀出試樣扭斷前所承受的最大扭矩,用公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度。

抗扭強(qiáng)度:τ_m=T_m/W

(τ_m—抗扭強(qiáng)度;T_m—最大扭矩;W—截面系數(shù))

2.3.7 試樣斷口分析

碳鋼破壞斷口形狀:平面斷口

表明斷裂是由剪應(yīng)力引起的。斷面上可看出回旋狀塑性變形的痕跡,是典型的韌狀斷口。斷裂時(shí)的剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限記作τ_b 。

鑄鐵破壞斷口形狀:45°螺旋斷口

表明斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。而最大拉應(yīng)力先于最大剪應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后發(fā)生斷裂又說(shuō)明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。

純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài),與桿軸成±45o角的螺旋面上分別作用著兩個(gè)主應(yīng)力:  σ₁、σ₃ 并與最大剪應(yīng)力τmax絕對(duì)值數(shù)值相等。因此試樣的斷口角度直接顯示材料是拉斷還是剪斷、材料自身抗拉、抗剪能力的強(qiáng)弱由此得到直接地比較。

純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài)

2.5 硬度試驗(yàn)

2.5.1 概述

硬度表征的是固體材料抵抗局部變形,特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力,反映了材料的軟硬程度。

硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理概念,而是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。如刻劃法型硬度試驗(yàn)表征金屬抵抗破裂的能力,而壓入法型硬度試驗(yàn)表征金屬抵抗變形的能力。

硬度數(shù)據(jù)與其他力學(xué)性能存在一定關(guān)系,如抗拉強(qiáng)度。原因在于硬度和抗拉強(qiáng)度都與大塑性變形抗拉有關(guān)。

2.5.2 硬度的測(cè)試方法及分類

硬度試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn),根據(jù)受力方式,可分為壓人法和劃痕法。在壓入法中,按照加力速度不同又可分為靜態(tài)力試驗(yàn)法和動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜態(tài)力試驗(yàn)法,肖氏硬度、里氏硬度和錘擊布氏硬度等屬于動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法。

硬度測(cè)試方法的分類

硬度測(cè)量方法的使用范圍

其中肖氏硬度也稱為回跳法,所以又可以分為:壓入法、彈性回跳法和劃痕法。

同一類方式的硬度可以換算;不同類方式則只能采用同一種材料進(jìn)行標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單,無(wú)須加工試樣;

造成的表面損傷小,基本屬于“無(wú)損”或微損檢測(cè)范圍;

與其他靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系,如可以由硬度大致推測(cè)強(qiáng)度值;

測(cè)量范圍大可至多個(gè)晶粒,小可測(cè)單個(gè)晶粒,甚至幾個(gè)原子范圍(納米壓痕儀(NanoIndenter))。

2.5.3 概念

布氏硬度(HB):材料抵抗通過(guò)硬質(zhì)合金球壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

努氏硬度(HK):材料抵抗通過(guò)金剛石菱形錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

肖氏硬度(HS):應(yīng)用彈性回跳法將撞銷(具有尖端的小錐,尖端上鑲有金剛鉆)從一定高度落到所測(cè)試材料的表面上而發(fā)生回跳,用測(cè)得的撞銷回調(diào)高度來(lái)表示的硬度。

洛氏硬度(HR):材料抵抗通過(guò)硬質(zhì)合金,或?qū)?yīng)某一標(biāo)尺的金剛石圓錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

維氏硬度(HV):材料抵抗通過(guò)金剛石正四棱錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

里氏硬度(HL):將規(guī)定質(zhì)量的沖擊體,在彈性力作用下以一定速度沖擊試樣表面,用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計(jì)算的硬度值。

標(biāo)準(zhǔn)塊:用于壓痕硬度計(jì)間接檢驗(yàn)、帶有檢定合格的壓痕值得標(biāo)準(zhǔn)塊狀物質(zhì)。

硬度測(cè)試試驗(yàn)

2.5.4 硬度與材料抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

金屬的壓入硬度與抗拉強(qiáng)度成正比例關(guān)系:

σ_b=kHB

其中k為比例系數(shù),不同金屬材料的k值不同,同一種類的金屬經(jīng)過(guò)熱處理后,硬度和強(qiáng)度發(fā)生變化,但k值基本保持不變;

經(jīng)過(guò)冷變形后,金屬材料的k值不再是常數(shù);

鋼鐵材料的k大約是3.3;

精確的強(qiáng)度數(shù)據(jù)要靠直接測(cè)量得到。

2.5.5 布氏硬度

原理:用一定直徑的壓頭(球體),以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面,保持規(guī)定時(shí)間卸載后,測(cè)量材料表面壓痕直徑,以此計(jì)算出硬度值。

壓頭:淬火鋼球或硬質(zhì)合金鋼球。

載荷、壓頭直徑、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)三要素。

布氏硬度的表示方法

布氏硬度值單位為公斤力/mm²(N/mm²);布氏硬度上限值為HB650,不能高于此值。

優(yōu)點(diǎn):壓痕面積大,反映較大范圍內(nèi)材料的硬度性能;試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,重復(fù)性好,應(yīng)用廣泛;適用于晶粒粗大、相組成復(fù)雜、相尺寸較大的材料。

缺點(diǎn):屬于有損檢測(cè),壓痕較大,不能在成品表面進(jìn)行檢測(cè);操作復(fù)雜,效率低,不能連續(xù)檢測(cè)。

布氏硬度測(cè)試設(shè)備

2.5.6  洛氏硬度

原理:用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭,在試驗(yàn)壓力F的作用下,將壓頭壓入材料表面,保持規(guī)定時(shí)間后,去除主試驗(yàn)力,保持初始試驗(yàn)力,用殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值,實(shí)際測(cè)量時(shí),可通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值。

洛氏硬度載荷較大,不宜用于測(cè)量極薄試樣和表面硬化層,采用表面洛氏硬度測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單迅速,效率高,可直接讀出硬度值;壓痕小,可測(cè)量成品或較薄工件;可測(cè)量軟硬不同的材料硬度。

缺點(diǎn):壓痕較小,代表性差;材料有偏析或組織不均勻時(shí),數(shù)據(jù)重復(fù)性差;不同等級(jí)的洛氏硬度數(shù)據(jù)不具可比性。

壓頭—頂角120°金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球

1-1 —加上初載荷后壓頭的位置;

2-2 —加上初載荷+主載荷后壓頭的位置;

3-3 —卸去主載荷后壓頭的位置;

he —卸去主載荷的彈性恢復(fù);

洛氏硬度標(biāo)尺

洛氏硬度的表示方法

洛氏硬度試驗(yàn)設(shè)備

2.5.7  維氏硬度

原理:在一定的靜檢測(cè)力作用將壓頭下壓入試樣的表面,保持規(guī)定時(shí)間后卸除檢測(cè)力,試樣表面留下四方錐形的壓痕。計(jì)算出壓痕凹印面積,維氏硬度是檢測(cè)力除以壓痕表面積所得的商。

壓頭——金剛石材質(zhì),正四棱錐體,面角為136°

維氏硬度檢測(cè)時(shí)對(duì)于硬度均勻的材料可以任意選擇檢測(cè)力,其硬度值不變,這是維氏硬度檢測(cè)法最大的優(yōu)點(diǎn)。

選擇面角為136°的角錐體,是為了使維氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便進(jìn)行比較。

表示方法:HV前面的數(shù)值為硬度值,后面為試驗(yàn)力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)保持時(shí)間為10 ~ 15s,超出范圍需要標(biāo)注上保持時(shí)間。600HV30—表示采用30kgf的試驗(yàn)力,保持10 ~ 15s得到的硬度值為600;600HV30/20—表示采用30kgf的試驗(yàn)力,保持20s得到的硬度值為600。

適用范圍:按試驗(yàn)力的大小,分為維氏硬度、小負(fù)荷維氏硬度、顯微維氏硬度。維氏硬度檢測(cè):除特別小和薄試樣層的樣品外,測(cè)量范圍可覆蓋所有金屬。小負(fù)荷維氏硬度檢測(cè):特別適宜于測(cè)量鋼表面強(qiáng)化層及化學(xué)熱處理表面層以及各種滲層、渡層等的表面硬度。顯微維氏硬度檢測(cè):除用于產(chǎn)品的硬度檢驗(yàn)外,在金屬學(xué)、金相學(xué)研究方面也是最常用的試驗(yàn)方法之一。

優(yōu)點(diǎn):適用范圍廣,從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高,可比性強(qiáng);硬度值與試驗(yàn)力大小無(wú)關(guān)。

缺點(diǎn):測(cè)量操作較麻煩,測(cè)量效率低;不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。

維氏硬度試驗(yàn)設(shè)備

2.5.8 顯微硬度

顯微硬度是指一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗(yàn),分為顯微維氏硬度和顯微努氏硬度。

顯微硬度測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度,幾乎不損壞試樣,例如某個(gè)晶粒、組成相或夾雜物的硬度,顯微硬度可測(cè)陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度,且靈敏度高,適合評(píng)定細(xì)線材的加工硬化程度。

維氏壓頭壓痕(左)、努氏壓頭壓痕(右)

(1)金屬材料和金相的研究:廣泛用于測(cè)定金屬及合金中各組成相的硬度,剖析其對(duì)合金性能的供獻(xiàn),為合金的正確設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)金屬表面層性能的研究:擴(kuò)散層性能的研究,例如滲碳層,氮化層,金屬擴(kuò)散層等;(表面加工硬化層性能的研究。如金屬表層受機(jī)械加工,熱加工的影響。

(3)晶粒內(nèi)部不均勻性的研究;

(4)極細(xì)薄金屬制成品硬度的測(cè)量。

2.5.9 肖氏硬度

原理:將規(guī)定形狀的金剛石沖頭從固定的高度h₀落在試樣表面上,沖頭彈起一定高度h,用h與h₀的比值計(jì)算肖氏硬度值(材料的硬度與回調(diào)高度成正比)。與前面三種靜態(tài)壓入法硬度不同,肖氏硬度是一種動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法。

肖氏硬度計(jì)及結(jié)構(gòu)圖

試樣要求:試樣的質(zhì)量應(yīng)至少在0.1kg以上,厚度一般應(yīng)在10mm以上;試樣的試驗(yàn)面積應(yīng)盡可能大;表面應(yīng)無(wú)氧化皮及外來(lái)污物,不應(yīng)帶有磁性。

表示方法:HS前數(shù)字表示硬度數(shù)值,HS后表示硬度標(biāo)尺類型。45HSC—表示C型硬度計(jì)測(cè)定的硬度值為45;45HSD—表示D型硬度計(jì)測(cè)定的硬度值為45。

優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單、效率高;試驗(yàn)后幾乎不產(chǎn)生壓痕,可在成品件上試驗(yàn)

缺點(diǎn):測(cè)量精度低、重復(fù)性差,適合精度要求高的測(cè)試。

2.6 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能

3.1 概述

沖擊試驗(yàn)是利用能量守恒原理,將具有一定形狀和尺寸的帶有V型或U型缺口的試樣,在沖擊載荷作用下沖斷,以測(cè)定其吸收能量的一種試驗(yàn)方法。沖擊試驗(yàn)對(duì)材料的缺陷很敏感,能靈敏地反映出材料的宏觀缺陷、顯微組織的微小變化和材料質(zhì)量。

材料抵抗沖擊載荷的能力稱為材料的沖擊性能。沖擊載荷是指以較高的速度施加到零件上的載荷,當(dāng)零件在承受沖擊載荷時(shí),瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時(shí)要大的多。

沖擊載荷和靜載荷的區(qū)別在于加載速率不同。加載速率是指載荷施加于試樣或機(jī)件的速率,用單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力增加的數(shù)值表示。 用形變速率(又分為絕對(duì)形變速率和相對(duì)形變速率)間接反映加載速率的變化。

工程中,還有許多機(jī)件是快速加載即沖擊載荷及低溫條件下工作的,如:汽車在凸凹不平的道路上行駛;飛機(jī)的起飛和降落;材料的壓力加工等;其性能將與常溫、靜載的不同。

3.2 概念

夏比沖擊試驗(yàn):用規(guī)定高度的擺錘對(duì)處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的缺口試樣進(jìn)行一次性沖擊,并測(cè)量試樣折斷時(shí)的吸收能量的試驗(yàn)。V形缺口由于應(yīng)力集中較大,應(yīng)力分布對(duì)缺口附近體積塑性變形的限制較大而使塑性變形更難進(jìn)行。

不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始力:力-位移曲線急劇下降開(kāi)始時(shí)的力。

不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止力:力-位移曲線繼續(xù)下降終止時(shí)的力。

沖擊試樣斷口:沖擊試樣沖斷口的斷裂表面及臨近表面的區(qū)域。其宏觀外貌一般呈晶狀,纖維狀或混合狀。

晶狀斷面:斷裂表面一般呈現(xiàn)金屬光澤的晶狀顆粒,無(wú)明顯塑性變形的齊平斷面。

纖維狀斷面:斷口中纖維區(qū)的總面積與缺口下方原始截面面積的百分比。

側(cè)膨脹值:斷裂試樣缺口側(cè)面每側(cè)寬度較大增加量之和。

3.3 沖擊載荷下材料變形斷裂特點(diǎn)

沖擊載荷下,機(jī)件、與機(jī)件相連物體的剛度都直接影響沖擊過(guò)程的時(shí)間,從而影響加速度和慣性力的大小。

沖擊過(guò)程時(shí)間短,測(cè)量不準(zhǔn)確,通常假定沖擊能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)件內(nèi)的彈性能,再按能量守恒法計(jì)算。

金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行。

靜載荷作用時(shí):塑性變形比較均勻的分布在各個(gè)晶粒中;

沖擊載荷作用時(shí):塑性變形則比較集中于某一局部區(qū)域,反映了塑性變形不均勻

這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展,導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高。

純鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1—沖擊載荷;2—靜載荷

塑性、韌性隨應(yīng)變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān):如果在一定加載條件及溫度下,材料產(chǎn)生正斷,則斷裂應(yīng)力變化不大,塑性隨著應(yīng)變率的增加而減小;

如果材料產(chǎn)生切斷,則斷裂應(yīng)力隨著應(yīng)變率提高顯著增加,塑性的變化不一定,可能不變或提高。

韌性材料沖擊試樣斷口示意圖

同樣也為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū);

若試驗(yàn)材料具有一定的韌性,可形成兩個(gè)纖維區(qū)即: 纖維區(qū)—放射區(qū)—纖維區(qū)—剪切唇;

裂紋快速擴(kuò)展形成結(jié)晶區(qū),到了壓縮區(qū)后,應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,裂紋擴(kuò)展速度再次減小,形成纖維區(qū)。

3.4 沖擊彎曲與沖擊韌性

(1)沖擊韌性

沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收(彈性變形功)塑性變形功和斷裂功的能力。常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功A_K來(lái)表示。

作用:揭示冶金缺陷的影響;對(duì)σ_s大致相同的材料,評(píng)定缺口敏感性;評(píng)定低溫脆性傾向。

試樣尺寸:10mm×10mm×55mm

試樣分為缺口試樣和無(wú)缺口試樣。缺口試樣又分為夏比V型缺口沖擊試樣和夏比U型缺口沖擊試樣。無(wú)缺口試樣適用于脆性材料(球鐵、工具鋼、淬火鋼等)

沖擊試樣開(kāi)缺口的目的:使缺口附近造成應(yīng)力集中,保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發(fā)生在缺口處。缺口的深度和尖銳程度對(duì)沖擊吸收功影響顯著。缺口越深、越尖銳,A_k值越小,材料表現(xiàn)的脆性越大。所以,不同類型和尺寸的試樣的A_k值不能相互換算和直接比較。

(2)沖擊彎曲

試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

試驗(yàn)過(guò)程:將樣品水平放在試驗(yàn)機(jī)的支座上,缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質(zhì)量m的擺錘舉至一定高度H1,使其獲得一定位能mgH1

釋放擺錘沖斷試樣,擺錘的剩余能量為mgH2,則擺錘沖斷試樣失去的位能為mgH1-mgH2,這就是試樣變形和斷裂所消耗的功,稱為沖擊吸收功,以A_K表示,單位為J。

對(duì)采用U型缺口和V型缺口的試樣,其沖擊功分別用A_ku 和A_kv來(lái)表示。試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校核。

在最新現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2007《金屬材料  夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》中規(guī)定:沖擊吸收能量k代替沖擊吸收功A_k。

JB-S300數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)

(擺錘預(yù)揚(yáng)角:150°;擺軸中心至打擊中心的距離:750mm、800mm;沖擊速度:5.2m/s~5.4m/s;最大沖擊能量:300J/500J、500J/250J)

JB-300/500W微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)

(沖擊能量:300J、150J/500J、250J;擺錘預(yù)揚(yáng)角:150°;沖擊速度:5.2m/s~/5.4m/s;試樣支座跨距:40mm)

3.5 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用

沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便。沖擊吸收能量K的大小對(duì)材料的組織十分敏感,能反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。

沖擊試驗(yàn)主要應(yīng)用在以下兩個(gè)方面:

(1)控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的質(zhì)量

通過(guò)測(cè)量K值和對(duì)樣品進(jìn)行斷口分析,可以:檢驗(yàn)冶金缺陷——夾渣、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析以及夾雜物超級(jí)等缺陷;檢驗(yàn)熱加工后質(zhì)量——鑄造、鍛造、焊接及熱處理后過(guò)熱、過(guò)燒、回火脆性、淬火和鍛造裂紋等缺陷;

(2)評(píng)定材料的冷脆傾向

根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)(低溫沖擊試驗(yàn))可得K與溫度的關(guān)系曲線,測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,可以評(píng)定材料的低溫脆性傾向。

三種不同冷脆傾向的材料

3.6 低溫脆性現(xiàn)象

體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金,特別是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(鐵素體-珠光體鋼),在試驗(yàn)溫度低于某一溫度t_k時(shí),會(huì)由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài),沖擊吸收功明顯下降,斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫?斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀,這就是低溫脆性,又稱為冷脆。這種轉(zhuǎn)變稱為韌脆轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,又稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

Titanic號(hào)鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板,韌性很差,特別是在低溫呈脆性。所以,沖擊試樣是典型的脆性斷口。

斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨時(shí)間變化示意圖

低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨著溫度的降低急劇增加的結(jié)果;見(jiàn)右圖,屈服點(diǎn)隨著溫度的下降而升高,但材料的斷裂強(qiáng)度隨著溫度的變化很小;兩線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是t_k。

3.7 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

常用根據(jù)能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來(lái)定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k。

低溫脆性金屬材料的系列沖擊結(jié)果

沖擊功隨溫度的變化而變化,能量法有三種:(1)以低階能開(kāi)始上升的溫度定義為t_k,記為NDT(Nil Ductility Temperature)稱為無(wú)塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度;(2)以高階能對(duì)應(yīng)的溫度定義為t_k,記為FTP(Fracture Transition Plastic),較為保守的方法;(3)以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義為t_k,記為FTE(Fracture Transition Elastic)。

試驗(yàn)表明,在不同試驗(yàn)溫度下,纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇三者之間的相對(duì)面積(或線尺寸)是不同的。

溫度下降,纖維區(qū)面積突然減少,結(jié)晶區(qū)面積突然增加,材料由韌變脆。

通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積的50%時(shí)的溫度為t_k,記為50%FATT或FATT₅₀、t₅₀。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k可用于抗脆斷設(shè)計(jì)、保證機(jī)件服役安全,但不能直接用來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸;機(jī)件的最低使用溫度必須高于t_k,兩者相差越大越安全,所以選用的材料應(yīng)該具有一定的韌性溫度儲(chǔ)備,也就是說(shuō)具有一定的△值,△=t₀-t_k。

3.8 落錘試驗(yàn)

50年代初,美國(guó)海軍研究所派林尼(W.S.Pellini)等人提出了落錘試驗(yàn)方法,用于測(cè)定全厚鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT,以作為評(píng)定材料的性能標(biāo)準(zhǔn)。

落錘試驗(yàn)示意圖

(重錘錘頭是一個(gè)半徑為25mm的鋼制圓柱,硬度不小于50HRC。重錘可升到不同高度,以獲得340-1650J的能量。)

試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上,使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè),然后落下重錘進(jìn)行打擊。隨著試樣溫度的下降,其力學(xué)行為發(fā)生如下變化:

不裂→拉伸側(cè)表面形成裂紋,但未發(fā)展到邊緣→拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊→斷裂。

一般取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度為——NDT。

NDT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):保證承載時(shí)鋼的NDT<工作溫度,此時(shí)高應(yīng)力區(qū)的小裂紋處不會(huì)造成脆性斷裂;

NDT+33℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):對(duì)結(jié)構(gòu)鋼而言,FTE≈NDT+33℃,適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn);

NDT+67℃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):適用于全塑性斷裂,在塑性超載條件下,仍能保證最大限度的抗斷能力,也適用于原子能反應(yīng)堆壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。

TLC-300落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

3.9 斷裂分析圖

斷裂分析圖通過(guò)落錘試驗(yàn)所得NDT可以建立斷裂分析圖Fracture Analysis Diagram,,表示許用應(yīng)力、缺陷(裂紋)和溫度之間的關(guān)系曲線。

斷裂分析圖

A’BC線,又稱為斷裂終止線(CAT),表示不同應(yīng)力水平下脆性裂紋擴(kuò)展的終止溫度。

3.10 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素

材料的脆性傾向本質(zhì)上是其塑性變形能力對(duì)低溫和高加載速率的適應(yīng)性的反映。

材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響因素主要有:化學(xué)成分、晶粒尺寸、顯微組織。

合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

間隙溶質(zhì)元素含量增加,高階能下降,韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k提高;置換原子只有Ni、Mn降低t_k ;S、P、As等偏聚與晶界,降低材料韌性。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度與鐵素體晶粒直徑的關(guān)系

(細(xì)化晶粒,材料的韌性增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k降低)

分析:晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力;晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少,有利于降低應(yīng)力集中;晶界總面積增加,使晶界上雜質(zhì)濃度減小,避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

顯微組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度t_k由高到低:珠光體>上貝氏體>鐵素體>下貝氏體>回火馬氏體。

球化處理可改善鋼的韌性;在某些馬氏體鋼中存在奧氏體,可以抑制解理斷裂;鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)鋼的脆性有重要影響,無(wú)論第二相位于晶界還是獨(dú)立于基體中,當(dāng)尺寸增大時(shí)材料韌性下降,t_k升高。

3.11 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料在變動(dòng)載荷下的力學(xué)性能

4.1 概述

工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動(dòng)載荷下工作,如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)印⑷~片及橋梁等,其失效形式主要是疲勞斷裂。

疲勞是指機(jī)件和構(gòu)件在服役過(guò)程中,由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過(guò)程。變動(dòng)載荷是引起疲勞破壞的外力,是指載荷大小甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷,其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力分為循環(huán)應(yīng)力和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

疲勞的特點(diǎn):疲勞是具有壽命的斷裂,其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料抗拉強(qiáng)度,甚至低于屈服強(qiáng)度;疲勞是脆性斷裂(突發(fā)性);對(duì)缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感。

在載荷下進(jìn)行試驗(yàn)以提供材料或零部件的某種疲勞數(shù)據(jù)的試驗(yàn)稱為疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)按失效循環(huán)次數(shù)可分為高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)。高周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)力為基本控制參數(shù),低周疲勞試驗(yàn)以應(yīng)變?yōu)榛究刂茀?shù)。疲勞試驗(yàn)按載荷和環(huán)境可分為室溫疲勞試驗(yàn)、高溫疲勞試驗(yàn)、低溫疲勞試驗(yàn)、熱疲勞試驗(yàn)、腐蝕疲勞試驗(yàn)、接觸疲勞試驗(yàn)和沖擊疲勞試驗(yàn)。

4.2 疲勞斷口

疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。由于應(yīng)力水平較低,因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段,疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成,即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)(裂紋源)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

I區(qū):裂紋初始擴(kuò)展階段,10^-8~10^-6mm/周次,快速提高,但△K變化范圍很小所以提高有限;

II區(qū):裂紋擴(kuò)展主要階段,10-5~10-2mm/周次,da/dN~△K呈冪函數(shù)關(guān)系,△K變化范圍很大,擴(kuò)展壽命長(zhǎng)。

Ⅲ區(qū):裂紋擴(kuò)展最后階段,da/dN很大,并隨△K增加而很快地增大,只需擴(kuò)展很少周次即會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)斷裂。

該區(qū)最光亮(該斷面經(jīng)多次摩擦擠壓);裂紋源位于裂紋擴(kuò)展區(qū)的貝紋弧線凹向一側(cè)的焦點(diǎn)位置;可以有一個(gè)或者多個(gè)(與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān));對(duì)于多個(gè)裂紋源,一般源區(qū)越亮、裂紋擴(kuò)展區(qū)越大、貝紋線越密,則該裂紋源越早產(chǎn)生。

是裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域;斷口比較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣),有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階;貝紋線是載荷變動(dòng)引起的,貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線,近源處則貝紋線距越密,遠(yuǎn)離源處則貝紋線距越疏。

是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域;該斷口區(qū)比疲勞區(qū)粗糙,與靜載的斷口相似(脆性材料斷口呈結(jié)晶狀,韌性材料斷口在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字紋狀,邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在);位置一般處于裂紋源的對(duì)側(cè);區(qū)域大小與材料承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān),高名義應(yīng)力或低韌性材料,最后斷裂區(qū)大,反之,最后斷裂區(qū)小。

4.3 疲勞曲線與疲勞極限

疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線,即S-N曲線,用于確定疲勞極限、建立疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。

典型的金屬材料疲勞曲線

疲勞極限指材料抵抗無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。條件疲勞極限指材料抵抗有限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)。二者統(tǒng)稱為疲勞強(qiáng)度。

對(duì)稱循環(huán)載荷是一種常規(guī)載荷,有對(duì)稱彎曲、對(duì)稱扭轉(zhuǎn)及對(duì)稱拉壓等。其對(duì)應(yīng)的疲勞極限稱為σ_-1、τ_-1、σ_-1p。其中σ_-1是最常用的對(duì)稱循環(huán)疲勞極限。

抗拉強(qiáng)度越大,疲勞極限越大。

鋼的疲勞極限σ_-1與抗拉強(qiáng)度σ_b的關(guān)系

4.4 疲勞試驗(yàn)方法

金屬材料疲勞極限試驗(yàn),是通過(guò)模擬結(jié)構(gòu)或部件的實(shí)際工作情況,在試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定材料的疲勞曲線,用以估計(jì)結(jié)構(gòu)或部件的疲勞特性。

一般該類試驗(yàn)周期較長(zhǎng),所需設(shè)備比較復(fù)雜,但是由于一般的力學(xué)試驗(yàn)如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗(yàn),都不能夠提供材料在反復(fù)交變載荷作用下的性能,因此對(duì)于重要的零構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是必須的。

常用試驗(yàn)方法及其特點(diǎn)

單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)法適用于金屬材料構(gòu)件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉(zhuǎn)彎曲載荷條件下服役的情況。

試驗(yàn)設(shè)備:彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、抗壓試驗(yàn)機(jī)。

試樣要求:(1)試樣數(shù)量為8 ~ 10根;試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6,7.8,9mm,偏差小于0.005d。

試樣形狀示意圖

試驗(yàn)步驟:(1)安裝試樣;(2施加載荷P(一般是根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)計(jì)算出應(yīng)該施加的載荷大小P),第1根試樣的最大應(yīng)力約為σ₁=(0.6 ~0.7)σ_b;(3)試樣斷裂后記下壽命N1,取下試樣描繪疲勞斷口的特征;(4)取另一試樣使其最大應(yīng)力σ₂=(0.40 ~0.45)σ_b ,重復(fù)步驟①到③測(cè)得疲勞壽命N₂,若N₂<10⁷次,則應(yīng)降低應(yīng)力再重復(fù)步驟①到③,直至N₂> 10⁷次;(5)在σ₁與σ₂之間插入4個(gè)等差應(yīng)力水平,分別為σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,逐級(jí)遞減進(jìn)行以上試驗(yàn),相應(yīng)的壽命分別為N₃,N₄,N₅,N₆。

數(shù)據(jù)處理:當(dāng)N₆<10⁷次,疲勞極限在σ₂與σ₆之間,這時(shí)取σ₇=1/2(σ₂+σ₆)再進(jìn)行試驗(yàn);當(dāng)N₆>10⁷次,取σ₇=1/2(σ₅+σ₆)再進(jìn)行試驗(yàn)。

升降法疲勞試驗(yàn)主要用于測(cè)定中、長(zhǎng)壽命區(qū)材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)特性。在常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法測(cè)定疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上或在指定壽命的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)定的情況下,一般采用升降法疲勞試驗(yàn)間接測(cè)定疲勞強(qiáng)度。

試驗(yàn)設(shè)備:抗壓疲勞試驗(yàn)機(jī)。

試樣形狀示意圖

(試樣數(shù)量:約16根)

升降法示意圖

試驗(yàn)方法:(1)試驗(yàn)從高于疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開(kāi)始,然后逐級(jí)降低(如疲勞強(qiáng)度未知,可選用材料的靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度R_p0.2或R_eL);(2)在應(yīng)力水平下進(jìn)行第一根試驗(yàn),如果在指定壽命N=10⁷次之前發(fā)生破壞,則下一根試樣就要在低一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行,反之,則要在高一級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行,直至完成全部試樣;(3)各級(jí)應(yīng)力水平之差叫做“應(yīng)力增量”,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)力增量應(yīng)保持不變。

試樣步驟:(1)安裝試樣;(2)參數(shù)設(shè)置,在電腦界面設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),如動(dòng)載荷、頻率、循環(huán)次數(shù)、試樣工作部分的直徑和橫截面積等;(3)施加載荷,所施加的動(dòng)載荷一般為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力,波形為正弦波;(4)終止試驗(yàn),試樣在規(guī)定循環(huán)應(yīng)力下,通常一直連續(xù)試驗(yàn)至試樣失效或規(guī)定循環(huán)次數(shù)。

數(shù)據(jù)處理:將出現(xiàn)第一對(duì)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)舍棄;以V_i表示在第i級(jí)應(yīng)以水平σ_i下進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù),n表示有效試驗(yàn)總次數(shù),m表示升降應(yīng)力水平的級(jí)數(shù)。

高頻振動(dòng)試驗(yàn)利用試驗(yàn)器材產(chǎn)生含有循環(huán)載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上,可以滿足在高頻、低幅、高循環(huán)環(huán)境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動(dòng)試驗(yàn)主要用于軍民機(jī)械工程的需要。

高頻振動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

試樣要求:試樣形狀同單點(diǎn)疲勞試樣相同;試樣材料一般選用高強(qiáng)度鋼。

試驗(yàn)步驟:(1)安裝試樣;(2)安裝控制與測(cè)量的加速度傳感器,并進(jìn)行500~2000Hz的正弦掃頻試驗(yàn),根據(jù)掃頻結(jié)果選取試驗(yàn)頻率;(3)以選取的試驗(yàn)頻率、控制加速度進(jìn)行正弦高頻振動(dòng)環(huán)境疲勞試驗(yàn),調(diào)整試驗(yàn)應(yīng)力水平為σ=ma/S。(m為配重質(zhì)量,a為配重的加速度,S為試樣橫截面積)

數(shù)據(jù)處理:將獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以試驗(yàn)應(yīng)力σ為縱坐標(biāo),以疲勞壽命的對(duì)數(shù)lgN為橫坐標(biāo),由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理,使各數(shù)據(jù)點(diǎn)到直線的水平距離的平方和為最小:lgN=a+b(σ-σ₀)。

超聲法疲勞試驗(yàn)是一種加速共振式的疲勞試驗(yàn)方法,其測(cè)試頻率(20kHz)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)疲勞測(cè)試頻率(小于200Hz)。超聲法疲勞試驗(yàn)一般用于超高周疲勞試驗(yàn),主要針對(duì)10⁹以上周次疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置主要包括:(1)超聲頻率發(fā)生器(將超聲正弦波電信號(hào)由50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?0kHz);(2)壓力陶瓷換能器(將電源提供的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動(dòng)信號(hào));(3)位移放大器(放大位移振幅使試樣獲得所需的應(yīng)變振幅)。試驗(yàn)裝置原理:由壓電陶瓷換能器、位移放大器和試樣組成的超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成了一個(gè)力學(xué)振動(dòng)系統(tǒng),試樣的加載是由外加信號(hào)激勵(lì)試樣發(fā)生諧振,在試樣中產(chǎn)生諧振波來(lái)實(shí)現(xiàn)。

超聲法疲勞試驗(yàn)裝置示意圖

試樣分為拉壓試樣和三點(diǎn)彎曲試樣。

試樣示意圖

試驗(yàn)步驟:(1)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn);(2)安裝試樣,對(duì)稱拉壓試驗(yàn)中,試樣的一端固定放大器末端,另一端自由,非對(duì)稱拉壓試驗(yàn)中,試樣兩端分別固定在兩個(gè)放大器;(3)對(duì)所加載荷和試驗(yàn)頻率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置;(4)開(kāi)始試驗(yàn),并記錄數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理:試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Basquin方程描述:σ_a=σ_f ^’(2N_f)^bλ。其中σ_a表示應(yīng)力幅,σ_f表示應(yīng)表示疲勞強(qiáng)度系數(shù),N_f表示試驗(yàn)所得疲勞壽命,以 N_f為橫坐標(biāo),以σ_a為縱坐標(biāo)繪制超聲疲勞S-N曲線。

4.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料在環(huán)境條件下的力學(xué)性能

前幾節(jié)主要介紹材料在外力作用下所表現(xiàn)的力學(xué)行為規(guī)律,實(shí)際工程結(jié)構(gòu)或零件,都是在一定環(huán)境或介質(zhì)下工作,材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)行為是介質(zhì)和應(yīng)力共同作用的結(jié)果。本節(jié)主要介紹應(yīng)力腐蝕的試驗(yàn)方法。

5.1 概述

應(yīng)力腐蝕是指材料、機(jī)械零件或構(gòu)件在靜應(yīng)力(主要是拉應(yīng)力)和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕是危害最大的腐蝕形態(tài)之一。

應(yīng)力腐蝕斷裂(stress corrosion cracking, SCC) 是一種“災(zāi)難性的腐蝕”,如橋梁坍塌,飛機(jī)失事,油罐爆炸,管道泄漏都造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

5.2 應(yīng)力腐蝕條件和特征

應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件:敏感的金屬材料、特定的腐蝕介質(zhì)、足夠大的應(yīng)力。

敏感材料:一般情況純金屬不會(huì)發(fā)生SCC,含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC;高強(qiáng)度合金鋼腐蝕開(kāi)裂抗力受化學(xué)成分和顯微組織控制;

特定介質(zhì):特定組織環(huán)境(包括腐蝕介質(zhì)性質(zhì)、濃度、溫度),特定材料對(duì)于特定的溶液介質(zhì),才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 例如,奧氏體不銹鋼—Cl離子溶液、低合金高強(qiáng)度鋼—潮濕大氣中。

應(yīng)力來(lái)源:機(jī)件所承受的應(yīng)力包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工作狀態(tài)下構(gòu)件所承受的外加載荷形成的抗力;加工,制造,熱處理引起的內(nèi)應(yīng)力;裝配,安裝形成的內(nèi)應(yīng)力;溫差引起的熱應(yīng)力;裂紋內(nèi)因腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的楔入作用也能產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展所需要的應(yīng)力。

不同合金腐蝕介質(zhì)表

應(yīng)力腐蝕特征:典型的滯后破壞;裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型;裂紋擴(kuò)散速度比均勻腐蝕快約10⁶倍;低應(yīng)力的脆性斷裂。

孕育期:裂紋萌生階段,即裂紋源成核所需時(shí)間,約占整個(gè)時(shí)間的90%左右;

裂紋擴(kuò)展期:裂紋成核→臨界尺寸;

快速斷裂期:裂紋達(dá)到臨界尺寸后,由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂。

整個(gè)斷裂時(shí)間與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)(短則幾分鐘,長(zhǎng)可達(dá)若干年,應(yīng)力降低,斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。

臨界應(yīng)力σ_th(臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K_ISCC),在此臨界值以下,不發(fā)生SCC。

SCC裂紋分為三種:晶間型、穿晶型、混合型。晶間型:裂紋沿晶界擴(kuò)展,如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金;穿晶型:裂紋穿越晶粒擴(kuò)展,如奧氏體不銹鋼、鎂合金;混合型:鈦合金。

裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)。同一材料因介質(zhì)變化,裂紋途徑也可能改變。

應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點(diǎn)是:裂紋起源于表面;裂紋的長(zhǎng)寬不成比例,相差幾個(gè)數(shù)量級(jí);裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向;裂紋一般呈樹(shù)枝狀。

裂紋擴(kuò)展方向與應(yīng)力方向(垂直)

應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的特點(diǎn):擴(kuò)展速度較快;10^-6~10^-3mm/min;比均勻腐蝕快約10⁶倍;僅為純機(jī)械斷裂速度的10^-10。

應(yīng)力腐蝕裂紋的da/dt-K₁

當(dāng)裂紋尖端的K_I>K_ISCC時(shí),裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率,用da/dt表示。裂紋的擴(kuò)展速率da/dt隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子K₁而變化。

I區(qū):當(dāng)K₁稍大于K_1SCC時(shí),裂紋經(jīng)過(guò)一段孕育突然加速發(fā)展,即在I區(qū)內(nèi),裂紋生長(zhǎng)速率對(duì)K₁較敏感;

II區(qū):da/dt與K₁無(wú)關(guān),通常說(shuō)的裂紋擴(kuò)展速率就是指該區(qū)速率,因?yàn)樗饕呻娀瘜W(xué)過(guò)程控制,較強(qiáng)烈地依賴于溶液的pH值,粘度和溫度;

Ⅲ區(qū):失穩(wěn)斷裂區(qū),裂紋深度已接近臨界尺寸a_cr , 當(dāng)超過(guò)這個(gè)值時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到K_1c時(shí),裂紋生長(zhǎng)率迅速增加直至發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

應(yīng)力腐蝕破壞的斷口,斷口表面顏色暗淡,腐蝕坑和二次裂紋;應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂,也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂,其斷口是解理或準(zhǔn)解理的,其裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記。

沿晶斷裂圖

穿晶斷裂圖

5.3 應(yīng)力腐蝕影響因素

應(yīng)力腐蝕影響因素——環(huán)境、電化學(xué)、力學(xué)、冶金。

應(yīng)力腐蝕影響因素示意圖

5.4 應(yīng)力腐蝕防治措施

材料在高溫條件下的力學(xué)性能

6.1 概述

高溫下金屬及合金中出現(xiàn)的擴(kuò)散、回復(fù)、再結(jié)晶等現(xiàn)象,會(huì)使其組織發(fā)生變化。金屬材料長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下,也會(huì)使其性能受到破壞。

在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、化工設(shè)備中高溫高壓管道等設(shè)備中,很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類機(jī)件的材料,只考慮常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能還不夠。

如化工設(shè)備中高溫高壓管道,雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度,但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形,使管徑逐步增大,甚至?xí)?dǎo)致管道破裂。

溫度的“高”或“低”是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來(lái)講的,一般采用約比溫度T/T_m(T_m表示材料熔點(diǎn)),T/T_m>0.4~0.5,則算是高溫。

民用機(jī)接近1500℃,軍用機(jī)在2000℃左右,航天器的局部工作溫度可達(dá)2500℃

6.2 影響因素

溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大。在高溫下載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能也有很大影響。

材料的高溫力學(xué)性能≠室溫力學(xué)性能

一般隨溫度升高,金屬材料的強(qiáng)度降低而塑性增加。

載荷持續(xù)時(shí)間的影響:σ< σ_s ,長(zhǎng)期使用過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生蠕變 ,可能最終導(dǎo)致斷裂;隨載荷持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng),高溫下鋼的抗拉強(qiáng)度降低;在高溫短時(shí)拉伸時(shí),材料的塑性增加;但在長(zhǎng)時(shí)載荷作用下,金屬材料的塑性卻顯著降低,缺口敏感性增加,往往呈現(xiàn)脆性斷裂;溫度和時(shí)間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑。

溫度升高時(shí),晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度均會(huì)降低,但是由于晶界上原子排列不規(guī)則,擴(kuò)散容易通過(guò)晶界進(jìn)行,因此,晶界強(qiáng)度下降較快。

晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度稱為“等強(qiáng)溫度”T_E。

當(dāng)材料在T_E以上工作時(shí),材料的斷裂方式由常見(jiàn)的穿晶斷裂過(guò)渡到晶間斷裂。材料的T_E不是固定不變的,變形速率對(duì)它有較大影響。因晶界強(qiáng)度對(duì)形變速率敏感性比晶粒大得多,因此T_E隨變形速度增加而升高。

綜上所述,研究材料在高溫下的力學(xué)性能,必須加入溫度和時(shí)間兩個(gè)因素。

6.3 蠕變現(xiàn)象

金屬在長(zhǎng)時(shí)間恒溫、恒載荷(即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度)作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。

由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂,稱為蠕變斷裂。

蠕變?cè)诘蜏叵乱矔?huì)產(chǎn)生,但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較顯著。如碳鋼超過(guò)300℃、合金鋼超過(guò)400℃時(shí)就必須考慮蠕變的影響。

同種材料的蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而不同。

典型的蠕變曲線

第一階段ab為減速蠕變階段又稱過(guò)渡蠕變階段,這一階段開(kāi)始的蠕變速率很大,隨著時(shí)間延長(zhǎng)蠕變速率逐漸減小,到b點(diǎn)蠕變速率達(dá)到最小值;

第二階段bc為恒速蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段,這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變。一般所指的金屬蠕變速率,就是以這一階段的蠕變速率ε表示的。

第三階段cd為加速蠕變階段隨著時(shí)間的延長(zhǎng),蠕變速率逐漸增大,到d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生蠕變斷裂。

應(yīng)力、溫度不同的蠕變曲線變化圖

由圖可見(jiàn),當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí),蠕變第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),甚至可能不產(chǎn)生第三階段;相反,應(yīng)力較大或溫度較高時(shí),蠕變第二階段很短,甚至完全消失,試樣很短時(shí)間內(nèi)斷裂。

6.4 蠕變斷裂斷口特征

斷口宏觀特征

斷口附近產(chǎn)生塑性變形,在變形區(qū)附近有很多裂紋(斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象);

高溫氧化,斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。

斷口微觀特征

冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

6.5 性能指標(biāo)及測(cè)定

材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo)。

6.5.1 蠕變極限

蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo),是高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)件的主要依據(jù)之一。

蠕變極限(MPa)表示方法有兩種,一種是在規(guī)定溫度下,使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力;一種是在規(guī)定溫度和時(shí)間下,使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變伸長(zhǎng)率的最大應(yīng)力。

示例1表示在溫度為500℃、穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1×10-5%/h時(shí)該材料的蠕變極限為80MPa;

示例2表示在溫度為500℃、10萬(wàn)小時(shí)、蠕變伸長(zhǎng)率為1%時(shí)該材料的蠕變極限為100 MPa。

蠕變測(cè)試設(shè)備及示意圖

在同一 溫度、不同應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn),測(cè)出不少于4條蠕變曲線,根據(jù)測(cè)定結(jié)果作出蠕變曲線,曲線上直線部分的斜率即是蠕變速率;

根據(jù)獲得的應(yīng)力-蠕變速率數(shù)據(jù),在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出關(guān)系曲線;

可采用較大的應(yīng)力,以較短的試驗(yàn)時(shí)間作出幾條蠕變曲線,根據(jù)所測(cè)定的蠕變速率,用內(nèi)插法或外推法求出規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力值,即得到蠕變極限。

同一溫度下,蠕變第二階段應(yīng)力σ與穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε之間,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

S-590合金的σ- ε曲線

(20.0% Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)

6.5.2 持久強(qiáng)度

持久強(qiáng)度是指材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力,即材料在一定溫度和時(shí)間條件下,不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力(蠕變極限指材料的變形抗力,持久強(qiáng)度表示材料的斷裂抗力)。

某些材料與機(jī)件,蠕變變形很小,只要求在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂(如鍋爐的過(guò)熱蒸汽管)。這時(shí),就要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、機(jī)件使用的主要依據(jù)。

S-590合金持久強(qiáng)度曲線

金屬材料的持久強(qiáng)度是通過(guò)做高溫拉伸持久試驗(yàn)測(cè)定的;

試驗(yàn)過(guò)程中,不需要測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量,只要測(cè)定試樣在規(guī)定溫度和一定應(yīng)力作用下直至斷裂的時(shí)間;

對(duì)于設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)(數(shù)萬(wàn)~數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上)的機(jī)件,長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)十分困難,所以一般作出應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短的試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用外推法求出材料的持久強(qiáng)度。

外推經(jīng)驗(yàn)公式:t=Aσ^-B

(t—斷裂時(shí)間,σ—應(yīng)力,A、B—與試驗(yàn)溫度及材料有關(guān)的常數(shù))

對(duì)上面公式取對(duì)數(shù),得到:

logt=logA-Blogσ

作出logt-logσ圖,由直線關(guān)系可從斷裂時(shí)間短的數(shù)據(jù),外推到長(zhǎng)時(shí)間的持久強(qiáng)度。

6.5.3 剩余應(yīng)力

材料在恒變形條件下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。

金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性,可以通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。

剩余應(yīng)力是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。

剩余應(yīng)力越高,松弛溫度性越好。

應(yīng)力松弛曲線

第1階段:開(kāi)始階段應(yīng)力下降很快;

第2階段:應(yīng)力下降逐漸減緩的階段;

松弛極限:在一定的初應(yīng)力和溫度下,不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力。

6.5.4 高溫力學(xué)性能的影響因素

由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知,要提高蠕變極限,必須控制位錯(cuò)攀移的速率;提高持久強(qiáng)度,則必須控制晶界的滑動(dòng)和空位擴(kuò)散。

高溫力學(xué)性能的影響因素:化學(xué)成分、冶煉工藝、熱處理工藝、晶粒度。

6.6 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

材料的磨損性能

7.1 概述

磨損是由于機(jī)械作用、化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué)、電化學(xué)和力化學(xué)等反應(yīng)),材料表面物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形和斷裂的現(xiàn)象。

磨損是發(fā)生在物體上的一種表面現(xiàn)象,其接觸表面必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨損必然產(chǎn)生物質(zhì)損耗(包括材料轉(zhuǎn)移),而且它是具有時(shí)變特征的漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

磨損的危害:(1)影響機(jī)器的質(zhì)量,減低設(shè)備的使用壽命,如齒輪齒面的磨損、機(jī)床主軸軸承磨損等;(2)降低機(jī)器的效率,消耗能量,如柴油機(jī)缸套的磨損等;(3)減少機(jī)器的可靠性,造成不安全的因素,如斷齒、鋼軌磨損;(4)消耗材料,造成機(jī)械材料的大面積報(bào)廢。

磨損曲線

跑和階段:表面被磨平,實(shí)際接觸面積不斷增大,表面應(yīng)變硬化,形成氧化膜,磨損速率減小;

穩(wěn)定磨損階段:斜率就是磨損速率,唯一穩(wěn)定值;大多數(shù)機(jī)件在穩(wěn)定磨損階段(AB段)服役;

劇烈磨損階段:隨磨損的增長(zhǎng),磨耗增加,表面間隙增大,表面質(zhì)量惡化,機(jī)件快速失效。

7.2 磨損的評(píng)定

磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。目前對(duì)磨損評(píng)定方法還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這里主要介紹三種方法:磨損量、耐磨性和磨損比。

磨損量分為長(zhǎng)度磨損量W_l、體積磨損量W_v、重量磨損量W_w。

耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性。耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數(shù)。

材料耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。材料的相對(duì)耐磨性ε是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值,其中材料之一的A是標(biāo)準(zhǔn)(或參考)試樣。

ε_A=W_A/W_B

磨損比用于度量沖蝕磨損過(guò)程中的磨損。(磨損比=材料的沖蝕磨損量/造成該磨損量所用的磨料量)

7.3 磨損類型

磨損按磨損機(jī)理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損,按環(huán)境介質(zhì)可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。

7.3.1 粘著磨損

當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí), 由于粘著效應(yīng)所形成結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂,被剪切的材料或脫落成磨屑,或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面,此類磨損稱為粘著磨損。

磨損過(guò)程:粘著→剪斷→轉(zhuǎn)移→再粘著。

粘著磨損示意圖

粘著磨損類別、現(xiàn)象及原因

粘著磨損的改善措施:提高硬度、采用互溶性小的金屬、耐磨鍍層、加油性和極壓添加劑。

7.3.2 磨粒磨損

外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過(guò)程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象, 稱為磨粒磨損(又稱磨料磨損)。磨粒是摩擦表面互相摩擦產(chǎn)生或由介質(zhì)帶入摩擦表面。

磨粒磨損是最普遍的一種形式,主要出現(xiàn)在采礦、鉆探、建筑、運(yùn)輸與農(nóng)業(yè)等機(jī)械相關(guān)零部件,據(jù)統(tǒng)計(jì),工業(yè)中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。

磨粒磨損的影響因素

磨礪磨損的改善措施:(1)對(duì)于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度;(2)根據(jù)機(jī)件的服役條件,合理選擇相應(yīng)的耐磨材料;(3)采用滲碳、滲氮共滲等化學(xué)熱處理提高表面硬度;(4)機(jī)件的防塵和清洗。

7.3.3 疲勞磨損

兩接觸表面作純滾動(dòng)或滾動(dòng)與滑動(dòng)復(fù)合摩擦?xí)r,在高接觸壓應(yīng)力的作用下,經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力循環(huán)后,在其相互作用表面的局部地區(qū)產(chǎn)生小塊材料剝落,形成麻點(diǎn)或凹坑,這種磨損稱為疲勞磨損,又稱為接觸疲勞。

疲勞磨損與材料疲勞破壞的主要區(qū)別:磨損的產(chǎn)生與摩擦力有關(guān);磨損往往發(fā)生在材料的表層或次表層。

疲勞磨損類型:麻點(diǎn)剝落、淺層剝落、深層剝落。

麻點(diǎn)剝落: 是指深度在0.1~0.2mm以下的小塊剝落,裂紋一般起源于表面,剝落坑呈針狀或痘狀。

淺層剝落: 其剝落深度一般為0.2~0.4 mm。多出現(xiàn)在機(jī)件表面粗糙度低、相對(duì)滑動(dòng)小的場(chǎng)合。

深層剝落: 這類剝落坑較深(>0.4mm)、塊大。一般發(fā)生在表面強(qiáng)化的材料中,如滲碳鋼中。

疲勞磨損影響因素

疲勞磨損的改善措施:提高摩擦面硬度、采用表面強(qiáng)化工藝、提高冶金質(zhì)量、減少缺陷、提高潤(rùn)滑劑粘度、增大膜厚比,消除水分。

7.3.4 腐蝕磨損

材料在摩擦過(guò)程中與周圍的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的物質(zhì)從表面損失的現(xiàn)象,稱為腐蝕磨損。

腐蝕磨損按腐蝕介質(zhì)的性質(zhì),腐蝕磨損可分為兩類,即化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。化學(xué)腐蝕磨損指金屬材料在氣體介質(zhì)或非電解質(zhì)溶液中的磨損,其中最重要的一種是氧化磨損。電化學(xué)腐蝕磨損指金屬材料在導(dǎo)電性電解質(zhì)溶液中的磨損。

氧化磨損指金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng),在表面生成氧化膜,隨后在磨料或微凸體作用下被去除,新暴露的表面又重新被氧化、磨去的過(guò)程中形成的磨損。

氧化磨損條件:摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨損的速率,氧化膜與基體結(jié)合的強(qiáng)度大于摩擦表面的剪切應(yīng)力,氧化膜厚度大于表面磨損破壞的深度。

氧化磨損影響因素:氧化膜性質(zhì)、載荷、滑動(dòng)速度、金屬表面狀態(tài)。

電化學(xué)腐蝕磨損是指摩擦副工作在電解質(zhì)溶液(如酸、堿、鹽等)中,并和它們發(fā)生作用形成各種不同的產(chǎn)物,又在摩擦中被去除的過(guò)程。

摩擦表面遍布點(diǎn)狀或絲狀腐蝕痕跡,磨損產(chǎn)物是酸、堿、鹽的金屬化合物。

電化學(xué)腐蝕磨損的影響因素:(1)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì),同種材質(zhì)在不同介質(zhì)中的腐蝕磨損行為是不同的,另外,介質(zhì)濃度、pH值和溫度也會(huì)影響腐蝕磨損;(2)材料性質(zhì),在強(qiáng)磨損—弱腐蝕條件下,含碳量提升——耐磨蝕性提高,反之在弱磨損—強(qiáng)腐蝕條件下則耐磨蝕性降低。不同熱處理后鋼的組織差異也會(huì)對(duì)鋼的耐磨性有影響;(3)機(jī)械因素,外加載荷的大小及其作用頻率也會(huì)對(duì)材料耐磨蝕性產(chǎn)生影響。

7.3.5 其他磨損形式

沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。

根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同,沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。

對(duì)于沖蝕磨損通常采用涂抹預(yù)保護(hù)涂層,根據(jù)磨損情況的不同選擇不同的保護(hù)層。主要有以下三種:采用耐磨涂層膠,耐磨修補(bǔ)劑進(jìn)行預(yù)保護(hù);采用耐磨陶瓷膠粘貼特種耐磨陶瓷片進(jìn)行預(yù)保護(hù);采用聚氨酯彈性涂層。

微動(dòng)磨損指受壓配合面在微小幅度的振動(dòng)下發(fā)生的磨損現(xiàn)象,是一種復(fù)合磨損(粘著、磨粒、疲勞、腐蝕)。

金屬表面的微動(dòng)磨損原理示意圖

微動(dòng)磨損的控制措施:消除振動(dòng),增加接合面上的正壓力,增大接合面間的摩擦力,采用良好的潤(rùn)滑,采用潤(rùn)滑脂,采用固體潤(rùn)滑劑。

7.4 磨損試驗(yàn)

測(cè)定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗(yàn)。通過(guò)這種試驗(yàn)可以比較材料的耐磨性優(yōu)劣。

磨損試驗(yàn)比常規(guī)的材料試驗(yàn)要復(fù)雜。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式,然后選定合適的試驗(yàn)方法,以便使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。

磨損試驗(yàn)方法比較

磨損試驗(yàn)儀器:滾子式磨損試驗(yàn)機(jī)、環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤一銷式磨損試驗(yàn)機(jī)、往復(fù)式摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)、四球式摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)、接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)、濕磨科磨試驗(yàn)機(jī)。

磨損量的測(cè)量方法

7.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

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