力學性能第六單元 (2)

1、第九單元第九單元 金屬工藝性能試驗金屬工藝性能試驗本單元導讀本單元導讀 將金屬由原材料加工成符合要求的零件或構件，必須經(jīng)過一將金屬由原材料加工成符合要求的零件或構件，必須經(jīng)過一系列的加工過程，如鑄、鍛、焊、沖壓、熱處理及切削加工系列的加工過程，如鑄、鍛、焊、沖壓、熱處理及切削加工等。等。 金屬工藝性能試驗是檢查金屬材料承受一定變形的能力，或金屬工藝性能試驗是檢查金屬材料承受一定變形的能力，或檢查相似使用條件下能承受作用力的能力，以確定某金屬材檢查相似使用條件下能承受作用力的能力，以確定某金屬材料是否適應某種加工工藝過程。工藝性能試驗時一般不考慮料是否適應某種加工工藝過程。工藝性能試驗時一般不考

2、慮應力的大小，而以材料變形后的表面情況來評定其工藝性能。應力的大小，而以材料變形后的表面情況來評定其工藝性能。 本單元主要介紹實驗室中常用的幾種工藝性能試驗，包括金本單元主要介紹實驗室中常用的幾種工藝性能試驗，包括金屬彎曲試驗、杯突試驗、頂鍛試驗，金屬線材扭轉試驗、反屬彎曲試驗、杯突試驗、頂鍛試驗，金屬線材扭轉試驗、反復彎曲試驗和金屬管試驗等。復彎曲試驗和金屬管試驗等。金屬工藝性能試驗特點 工藝性能試驗是檢驗金屬材料是否適用于某種加工工藝的最實際的試驗方法，試驗方法簡便，無需復雜的試驗設備，有別于其他常規(guī)的力學性能試驗，其特點是：金屬工藝性能試驗特點 試驗過程與材料的使用條件相似。 試驗結果的

3、評定是以受力后表面變形情況(如裂紋、斷裂等)以及變形后所規(guī)定的某些特征來考核材料的優(yōu)劣。因此，試驗結果能反映出材料的塑性、韌性及部分質量問題。 試樣加工容易。工藝性能試驗通?？勺鳛橐话愠Ｒ?guī)力學性能試驗的補充試驗。其試驗結果可反映材料工藝性能的優(yōu)劣，有助于材料生產(chǎn)廠家進一步改進和完善冶煉、冷熱加工等工藝。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，金屬工藝性能試驗方法正在不斷完善和發(fā)展，許多工藝性能試驗方法均已標準化?，F(xiàn)將目前應用普遍、有國家標準的工藝方法加以介紹。 模塊一 金屬彎曲試驗一、金屬彎曲試驗及其工程意義 金屬彎曲試驗是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上，將材料試樣圍繞具有一定直徑的彎心彎曲至規(guī)定的角度

4、或不帶彎心彎到兩面接觸(即彎曲180，彎心直徑d=0)后，卸除試驗力，檢查試樣承受變形的能力。試驗一般在室溫下進行，所以也常稱為冷彎試驗?！拘≠Y料】小資料】 這里所指的彎曲試驗不同于第二單元的彎曲力學性能試驗，并不測量金屬材料的彎曲強度極限bb和彎曲時的斷裂撓度f等力學性能指標。 它的目的有二：一是用于檢定金屬材料彎曲成一定形狀和尺寸后的變形能力，二是顯示其缺陷。一、金屬彎曲試驗及其工程意義 由于彎曲試驗時試樣中部受彎部位受到?jīng)_頭擠壓以及彎曲和剪切的復雜作用，因此也是考查鋼材在復雜應力狀態(tài)下塑性變形能力的一項指標。所以，彎曲試驗對鋼材質量是較嚴格的檢驗方法之一，適用于各種板材、型材、帶材及有焊

5、接性能要求的材料。 金屬彎曲試驗按照GB/T2321999 金屬材料彎曲試驗方法進行。二、試 樣 1.形狀和尺寸 彎曲試驗試樣的橫截面形狀可以為圓形、方形、矩形和多邊形，但應參照相關產(chǎn)品標準或技術協(xié)議的規(guī)定。 試樣橫截面尺寸應根據(jù)材料種類、特性和試驗機能力確定。在條件允許情況下取全截面尺寸進行試驗。但大多數(shù)情況下并不允許進行全截面尺寸彎曲試驗。當相關產(chǎn)品標準未作具體規(guī)定時，一般按下述要求進行。試樣的寬度 當原材料的寬度不大于20mm時，試樣寬度為原材料的寬度；當材料寬度大于20 mm，厚度小于3mm的板材，試樣寬度為(205)mm；厚度不小于3 mm的板材，試樣寬度在20 50 mm之間。試樣

6、厚度或直徑 對于板材、帶材和型材，當其厚度不大于25 mm時，試樣厚度應為原材料厚度；材料厚度大于25mm時，試樣厚度可以機加工減薄至25 mm，并保留一側原表面。 對直徑或多邊形橫截面內切圓直徑不大于50mm的材料，試樣橫截面與原材料相同。如試驗機能力不足時，對于直徑或多邊形橫截面內切圓直徑在30mm至50 mm之間的材料，將其機加工成橫截面內切圓直徑不小于25 mm的試樣；直徑或多邊形內切圓直徑大于50 mm的材料，將其加工成橫截面內切圓直徑不小于25mm的試樣，并保留一側原表面。彎曲試驗時，試樣原表面應位于受拉變形的一側。試樣長度 試樣的長度應根據(jù)試樣厚度和所使用的試驗裝置的尺寸而定，通

7、常按下式確定： L= 0.5（D+ a )十140在這個圖中,標有橙色的部位進行取樣稱側彎，蘭色部位取樣為面彎，它的底部為背彎.。2.加工方法 室溫下可用鋸、銑、刨等加工方法截取，如用氣割等方法應去除氣割等形成的影響區(qū)域。試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕，棱邊必須銼圓，其半徑不應大于試樣厚度的1/10。 對于有必要矯直的試樣，應在常溫下平穩(wěn)施加壓力。 試樣的端部應打印或用其他方法標記試樣的代號。三、試驗方法1.試驗裝置 彎曲試驗通常在萬能材料試驗機或壓力機上進行，常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式、板式、等，其中支輥式彎曲裝置是最常用的,而V型模具式在國內應用較少。 支輥式彎曲裝置屬

8、于導向彎曲。試驗時，將試樣置于兩支點上，以規(guī)定直徑的彎心在試樣兩支點中間施加壓力進行彎曲，根據(jù)相關產(chǎn)品標準或技術協(xié)議的規(guī)定，使試樣彎曲到規(guī)定的角度(在加載狀態(tài)下測量)或出現(xiàn)肉眼可見裂紋為止。2.試驗過程 試樣在兩個支點上按一定彎心直徑彎曲至兩臂平行時，可一次完成試驗，也可先彎曲至90，然后放置在試驗機平板之間繼續(xù)施加壓力，壓至試樣兩臂平行。3.試驗結果評定 金屬彎曲試驗結果應按照相關產(chǎn)品標準或技術協(xié)議的要求進行評定。如產(chǎn)品標準或技術協(xié)議無具體規(guī)定，一般在試驗后檢查試樣彎曲部分的外面、里面和側面，若彎曲處無裂紋、起層或斷裂現(xiàn)象，即可認為彎曲性能合格。模塊二 金屬杯突試驗一、金屬杯突試驗及其工程意

9、義 金屬杯突試驗也稱埃里克森試驗(Erichsen test)，是常用的一種工藝性能試驗方法，它主要用于在給定試驗條件下，測定薄板或帶狀金屬材料的冷沖壓性能。 杯突試驗通常是在杯突試驗機上進行，試驗采用端部為球形的沖頭，將夾緊的試樣壓入壓模內，直至出現(xiàn)穿透裂紋為止，此時沖頭壓入深度(mm)即為被試板材或帶材的杯突值，以此來判斷材料的塑性變形性能。 圖9-7 杯突試驗示意圖 1-壓模 2-試樣 3-墊模 4沖頭一、金屬杯突試驗及其工程意義 試樣在做過杯突試驗后就像只沖壓成的杯子，不過是只破裂的杯子。 金屬杯突試驗應按照GB/T 41562007 金屬材料 薄板和薄帶埃里克森杯突試驗進行。二、試樣

10、 金屬杯突試樣從表面無缺陷的板卷或帶卷上切取，試樣厚度為薄板材料的原厚度（0.22mm）。 試樣可以是長條形，其寬度為9095 mm，長度至少為270mm，也可以為直徑9095 mm 的圓形試樣，或邊長為9095 mm的方形試樣。 試樣數(shù)量按產(chǎn)品標準或技術協(xié)議規(guī)定，如無具體規(guī)定，一般取3個試樣。 對于寬度3090 mm 的帶材，如產(chǎn)品要求，且試驗機具備相應的配件，也可以進行杯突試驗。 切取試樣時必須保持試樣平整，不得扭曲，邊緣應無毛刺，應不經(jīng)矯直進行試驗。試樣不應在試驗前受錘擊或冷熱加工和劃傷，也不允許經(jīng)過熱處理。 對于寬度3090 mm 的帶材，如產(chǎn)品要求，且試驗機具備相應的配件，也可以進行

11、杯突試驗。試樣尺寸與沖頭直徑及壓模孔徑試樣寬度/ mm試樣厚度度/ mm沖頭直徑/ mm壓?？讖? mm90950.22202755900.22152130350.21811三、試驗方法 金屬杯突試驗應在1035的室溫下進行，對試驗溫度有較嚴要求的，試驗溫度應為23士5 。 試驗前可用汽油清洗試樣并擦干，測量和記錄試樣厚度，精確到0.01mm。試樣兩面和沖頭表面應均勻地涂以無腐蝕性的潤滑劑，如石墨潤滑脂，以減少試樣與沖頭之間的摩擦對試驗結果的影響。 試驗機調整至零點后，將試樣置于壓模和墊模之間，并旋轉壓模夾緊試樣，其夾緊力約為10kN，試樣的中心盡可能與試驗機沖頭軸線一致。如為長條形試樣，相鄰

12、兩個壓痕中心距離不得小于90 mm，壓痕中心距試樣邊緣的距離不得小于45 mm。 在無沖擊的情況下對試樣進行杯突試驗，施加壓力應平穩(wěn)均勻，試驗速率在520 mm/min之間。當試驗進行到最大載荷點時，應將試驗速率減至上述速率的下限，以便正確地確定裂紋出現(xiàn)的瞬間。當裂紋開始穿透試樣厚度(透光)時即終止試驗。然后測定杯突深度即為杯突值，杯突值用IE表示。四、試驗結果評定 從沖頭與試樣表面接觸點起，直到試樣出現(xiàn)裂紋并開始穿透試樣厚度(透光)為止，此時沖頭的壓入深度即評定為杯突值，單位為mm。杯突值分散度較明顯，一般至少試驗3個試樣，試驗結果精確到0.1mm。 杯突試驗過程相似于金屬的冷沖壓過程，杯突

13、試驗結果可直接用來確定金屬材料的冷沖壓性能。模塊三 金屬頂鍛試驗一、什么是頂鍛試驗 金屬頂鍛試驗是將一定尺寸的試樣，在室溫或熱狀態(tài)下沿試樣軸線方向施加壓力，將試樣壓縮，檢驗金屬在規(guī)定的鍛壓比下承受頂鍛塑性變形的能力并顯示金屬表面缺陷。二、金屬頂鍛試樣 試樣從外觀檢查合格的材料的任意部位切取，如有關標準或技術協(xié)議對試樣切取部位另有規(guī)定時，則按規(guī)定執(zhí)行。 試樣可用鋸、刨、剪切或燒割方法切取，截取試樣的方法和過程不應改變材料的性能。但其受剪切或燒割影響試驗結果的區(qū)域應在機床(鋸、刨或車床)上切除。 試樣橫截面尺寸應與被試材料料尺寸相等，同時保留原軋制面或拔制面。試樣的高度h，對于鋼鐵材料應為試樣橫截

14、面尺寸的2倍，對于非鐵金屬應為試樣橫截面尺寸的1/2。三、試驗方法 1.試驗設備 金屬頂鍛試驗可用萬能材料試驗機、頂鍛試驗機、壓力機或手錘完成。試驗時可使用支撐板和防止試樣偏斜的夾具。支撐板應有足夠的剛性。 2.試驗方法 冷頂鍛試驗一般在1035的室溫下進行，對于溫度要求較嚴格的試驗，試驗溫度應為23士5。對于熱頂鍛試驗，試樣的加熱溫度、加熱時間和允許的終鍛溫度應按照相關產(chǎn)品標準規(guī)定的要求。 試驗可在靜載或動載下進行。如試樣直徑或邊長小于或等于15mm時，可用錘打或鍛打至規(guī)定的高度;當試樣直徑或邊長大于15mm時，則可在壓力機或鍛壓機上壓或鍛至規(guī)定高度。 頂鍛試驗后試樣不應有扭歪鍛斜現(xiàn)象, 如

15、有此類現(xiàn)象出現(xiàn)，試驗結果無效,應重新進行試驗。頂鍛試驗后試樣高度允許偏差不超過5h。 頂鍛試驗試樣所達到的最終高度按下式計算: 式中 h1頂鍛后試樣高度； h頂鍛前試樣高度； X鍛壓比。1hhX1hhX四、試驗結果評定 頂鍛后檢查試樣側面，在有關標準未作具體規(guī)定的情況下，一般如無裂縫、裂口、貫裂、扯破、折迭或氣泡，即認為試樣合格。模塊四 金屬線材扭轉試驗一、金屬線材扭轉試驗及其工程意義 金屬線材扭轉試驗是將試樣兩端夾緊并施加拉緊力，兩夾頭間保持規(guī)定的標距長度，一端夾頭圍繞試樣軸線旋轉，用于檢驗直徑(或特征尺寸)小于等于10mm的金屬線材扭轉時承受塑性變形的性能，并顯示金屬的不均勻性、表面缺陷及

16、部分內部缺陷。 試驗原理 按照GB/T239-1999金屬線材扭轉試驗方法規(guī)定，其試驗原理有二： 單向扭轉 試樣繞自身軸線向一個方向均勻旋轉360作為一次扭轉至規(guī)定次數(shù)或試樣斷裂。 雙向扭轉 試樣繞自身軸線向一個方向均勻旋轉360作為一次扭轉至規(guī)定次數(shù)后，向相反方向旋轉相同次數(shù)或試樣斷裂。二、試樣線材公稱直徑d或特征尺寸D夾頭之間標距長度L0.31.0200d(D)1.020，加工成寬度2025150金屬反復彎曲試樣尺寸 （單位：mm）三、金屬反復彎曲試驗方法 試驗一般應在1035的室溫下進行，對溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應為23士5。 根據(jù)線材直徑，選擇圓柱支座半徑r，圓柱支座頂部至撥桿底

17、部距離h以及撥桿孔直徑dg。 使彎曲臂處于垂直位置，將試樣由撥桿孔插入，試樣下端用夾塊夾緊，并使試樣垂直于圓柱支座軸線。非圓形試樣的夾持，應使其較大尺寸平行于或近似平行于夾持面。 彎曲試驗一般以每秒鐘不超過l次的速率進行，為了保證彎曲時試樣產(chǎn)生的熱量不致影響試驗結果，必要時可以降低彎曲試驗速率。操作應平穩(wěn)無沖擊，試驗應連續(xù)進行，試驗過程中不得中斷。 為了確保試樣在彎曲時與圓柱支座的圓弧面能良好接觸，可施加某種形式的拉緊力，這種形式的拉緊力不得超過材料標稱抗拉強度的2相對應的力值。如相關產(chǎn)品標準另有規(guī)定，應按其執(zhí)行。四、金屬反復彎曲試驗結果評定 金屬反復彎曲試驗結果評定方法有兩種:（1）金屬試樣

18、達到規(guī)定反復彎曲次數(shù)時，檢查試樣及覆蓋層彎曲處，如無裂紋、裂口、斷裂、起層、起皮即認為合格。為正常生產(chǎn)中檢驗、評定金屬材料反復彎曲性能的方法。 （2）試樣斷裂時的反復彎曲次數(shù)達到或超過規(guī)定的次數(shù)即認為合格，并記下彎曲次數(shù)Nb。用于比較相同或不同金屬材料抵抗反復彎曲性能的優(yōu)劣，為了合理的選材或設計，這個數(shù)據(jù)是必要的。模塊六 金屬管工藝試驗 金屬管因用途不同，需做各種工藝性能試驗，以確定其對機械加工的適應性，并顯示缺陷。管材常用的工藝性能試驗有:液壓試驗、彎曲試驗、壓扁試驗、卷邊試驗、擴口試驗、縮口試驗等。一、金屬管擴口試驗 金屬管擴口試驗是管材工藝性能試驗方法之一，是用圓錐形頂芯擴大管段試樣的一

19、端，直至擴大端的最大外徑達到相關產(chǎn)品標準所規(guī)定的值，用以檢驗在給定條件下管的塑性變形的極限能力。 金屬管擴口試驗適用于外徑不超過150mm(有色金屬管外徑不超過100mm)、管壁厚度不超過10 mm的金屬管。 適用金屬管的外徑和壁厚范圍可以在相關的產(chǎn)品標準中做更詳細的規(guī)定。 通常通過擴口試驗檢驗金屬管產(chǎn)品是否符合產(chǎn)品標準要求，或比較在相同條件下金屬管的塑性變形能力的優(yōu)劣，所以一般作為驗收試驗。一、金屬管擴口試驗1.試樣 金屬管擴口試樣應從外觀檢查合格的金屬竹材上的任意部位切取，切取試樣時應防止損傷試樣表面和因受熱或冷加工而改變其性能，試樣的兩端面應垂直于管的軸線。 試驗端的棱邊允許用銼或其他方

20、法將其倒圓或倒角，試驗焊接管時，可以去除管內壁的焊縫余高。2.試驗過程 金屬管擴口試驗按照GB/T242-2007進行。 試驗一般應在1035的室溫下進行，對溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應為23士5。 試驗一般應在可調節(jié)速率的萬能材料試驗機或壓力機上進行。圓錐形頂芯應具有相關產(chǎn)品標準所規(guī)定的角度，其工作表面應磨光并具有足夠的硬度。國家標準推薦采用的頂芯角度為30、45和60。 試驗時選取符合規(guī)定要求的圓錐頂芯，并在其錐面上涂以潤滑油。將試樣裝在試驗裝置上，將頂芯平穩(wěn)地壓入試樣的一端，使管口均勻地擴張到有關標準規(guī)定的外徑或出現(xiàn)裂紋。 擴口期間圓錐形頂芯的軸線應與試樣的軸線一致。 試驗時，頂芯在試

21、樣中壓入速率應不大于50 mm/min，如有爭議或仲裁試驗時，試驗速率應采用2050 mm/min。 試樣的長度取決于頂芯的角度。當頂芯角度小于或等于30時，試樣長度應約為金屬管外徑的2倍；當頂芯角度大于30時，其長度應約為外徑的1.5倍，但不得小于50mm。 對于外徑小于20mm的管材，只要試驗后能保證剩余圓柱的長度不小于0. 5D(D為金屬管外徑)，可以采用較短的試樣。 當試驗縱向焊接管時，允許使用帶溝槽的頂芯，以適應管內的焊縫余高。 試驗過程中頂芯不應相對于試樣轉動。3.試驗結果評定 對擴口試驗結果的評定應依據(jù)相關產(chǎn)品標準的要求。當產(chǎn)品標準中沒做規(guī)定時，在不使用放大鏡的情況下，如果無可見

22、裂紋，應評定為合格。 僅在試樣棱角處的輕微開裂不應判廢。 如要求測量出現(xiàn)裂紋時的極限擴口率，則應根據(jù)擴口至第一條可見裂紋出現(xiàn)時的管端外徑來計算其擴口率。當此擴口率大于或等于規(guī)定要求時，則認為試樣合格。 試樣擴口后的最大外徑或擴口率應由相關產(chǎn)品標準規(guī)定。 擴口率Xd的計算公式如下: 式中 D試樣端部的原始外徑，mm； DU擴口后試樣最大外徑，mm。%100DDDXud二、金屬管彎曲試驗 金屬管彎曲試驗適用于外徑不超過65mm圓形橫截面的金屬管全截面彎曲塑性變形性能并顯示其缺陷的工藝性能試驗。 試驗時將一根全截面的直管繞一規(guī)定半徑和帶槽的彎心彎曲，直至彎曲角度達到相關產(chǎn)品標準所規(guī)定的值，然后檢查管

23、子彎曲變形部位的表面狀態(tài)，做出結果評定。1.試樣 試樣從外觀檢查合格的金屬管的任意部位切取，如有關標準或技術協(xié)議對試樣切取部位另有規(guī)定時，則按規(guī)定執(zhí)行。 試樣應是具有足夠試驗長度的直管段，試樣長度應能保證在規(guī)定的彎曲角度和彎心半徑下進行彎曲。 管材的內外壁均不經(jīng)加工(即保留原表面)。2.試驗過程 金屬管彎曲試驗按照GB/T 2442008進行。 試驗一般應在1035的室溫下進行，對溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應為235。 彎管試驗應在彎管試驗裝置上進行，試驗時試驗裝置應能限制管的橫截面發(fā)生橢圓變形，彎曲后試樣橢圓處橫截面短軸的最小值不得小于原外徑的85%。 彎管試驗裝置的彎心應具有與管外徑輪廓相適應的溝槽，彎心半徑應由相關產(chǎn)品標準規(guī)定。 通過彎管試驗裝置將不帶填充物的管試樣彎曲，試驗時應確保試樣彎曲變形段與彎心緊密接觸，直至達到規(guī)定的彎曲角度。 試驗焊管時，焊縫相對于彎曲平面的位置應符合相關產(chǎn)品標準規(guī)定的要求。如未規(guī)定具體要求，焊縫置于與彎曲平面呈90(即彎曲中性線)的位置。3.試驗結果評定 試驗結果評定應按相關產(chǎn)品標準或技術協(xié)議要求進