再制造零部件力学性能检测

再制造零部件性能检测雷卫宁丁立红江苏理工学院摘要：材料的力学性能是材料在不同环境下，承受各种外加载荷时所表现出的力学特征，一般来说金属的力学性能有疲劳强度、硬度、耐磨性、塑性、耐蚀性、可靠性、脆性、塑性、刚性等。本文主要介绍了疲劳强度检测，硬度检测，耐磨性检测，包括原理，方法，影响因素，开展前景及其应用实例。关键词：力学性能；疲劳强度；硬度；耐磨性；检测REMANUFACTUREDPARTSMECHANICALPROPERTIESTESTINGAbstract:Themechanicalpropertiesofmaterialsunderdifferentsituationsexposeittoavarietyofappliedloadshowedmechanicalcharacteristics,ingeneral,themechanicalpropertiesofthemetalstrength,ductility,hardness,wearresistance,corrosionresistance,reliability,brittle,plasticity,andrigidity.Thispaperdescribesthefatiguestrengthtesting,hardnesstesting,abrasionresistancedetection.Including，theprinciples,methods,influencingfactors,developmentprospectsanditsapplicationexamples.Keywords:Mechanicalproperties;fatiguestrength;hardness;wearresistance;detection1.疲劳强度检测1.1疲劳强度的内涵所谓疲劳，是指材料或构件在长期的循环变应力作用下的失效现象，也称疲劳破坏。当循环变应力远小于强度极限时，经过一定的循环周次，也能使构件发生疲劳破坏。疲劳破坏是机械工程中常见的失效形式。近数十年来，疲劳破坏危及各个领域，飞机由于疲劳破坏而造成机毁人亡的灾难性事故；二次世界大战期间有上万艘焊接船舶、几十座焊接桥梁毁于疲劳破坏；对于车轴、车轨以及机架，曲轴，齿轮、螺栓联接等的疲劳破坏事故更是屡见不鲜。据统计，现代工业中零部件的失效80%是由于疲劳引起的。因此，疲劳问题引起了人们的极大关注。1.2疲劳强度试验原理及方法1.2.1疲劳强度试验原理实际生产中，有许多机械零件是在大小和方向随时间发生周期性变化的交变应力下工作，零件工作时承受的应力通常都低于屈服强度。机件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限；高于这个极限就发生疲劳失效。具体的疲劳曲线图1所示。图1疲劳曲线无数次试验可知：黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，那么再增加循环次数一般也不会失效。故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限σr。而把N0=107称为循环基数。有色金属的S-N曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平,通常规定一个循环基数N0,例如取N0=108,把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。1.2.2疲劳强度试验方法用旋转弯曲疲劳实验来测定对称循环的疲劳极限,由于设备简单，所以最常使用。各类旋转弯曲疲劳试验机大同小异，图2为这类试验机的原理示意图。试样1的两端装入左右两个心轴2后，旋紧左右两根螺杆3。使试样与两个心轴组成一个承受弯曲的“整体梁”上，它支承于两端的滚珠轴承4上。载荷P通过加力架作用于“梁”上。梁的中段〔试样〕为纯弯曲，且弯矩为M=1/2Pɑ。“梁”由高速电机6带动，在套筒7中高速旋转，于是试样横截面上任一点的弯曲正应力，皆为对称循环交变应力，假设试样的最小直径为dmin，最小截面边缘上一点的最大和最小应力为＝，＝-式中I=d。试样每旋转一周，应力就完成一个循环。试样断裂后，套筒压迫停止开关使试验机自动停机。这时的循环次数可由计数器8中读出。图2疲劳试验机原理图1.3疲劳强度试验在再制造零件方面的应用实例1.3.1发动机曲轴疲劳强度试验应用实例发动机曲轴承受的载荷绝大局部是具有随机性的复杂载荷,它直接影响着发动机的可靠性与寿命,其主要失效形式为疲劳破坏。发动机曲轴常规的疲劳设计方法没有考虑设计变量的随机性,所以与实际情况出入较大。另外,目前对发动机曲轴的疲劳试验往往只进行等幅循环载荷疲劳试验,而未考虑不同载荷循环之间的相互影响,这也与实际情况相差较大。这里提出了一种用接近实际工况的变幅程序载荷疲劳试验测定。失效概率一应力一失效循环次数曲线,并运用疲劳损伤等效理论得到复杂载荷下曲轴的可靠度,然后进行曲轴疲劳可靠性设计的新方法。[15]曲轴试验的区间是曲轴的圆角，可以用不同的方法增加弯曲疲劳强度，例如滚压。可以用EXCITE软件计算发动机运转期间的曲轴疲劳强度。计算出曲柄销圆角最低平安系数〔在最大疲劳破坏载荷〕，然后用于试验件的弯曲载荷试验的载荷确定。这个意味着弯曲载荷的条件应该用于曲轴疲劳分析的根底上进行。疲劳强度的分析应结合至少两个曲柄销的圆角区域的金相分析检测，另外曲柄销的圆角区域的微硬度测量也应该做，因为他决定于硬度型线。曲轴截面上多点硬度测量结果进行。[13]疲劳载荷分析方法是用S-N曲线表示的。这个试验的目的是提供足够的信息来画出这样的一条曲线。显然试验越多曲线就越准确因此疲劳强度就越接近真实值。在样件的试验中，施加的初始载荷要到达计算的理论动态载荷，然后把初始载荷乘以平安系数1.65。样件的试验的载荷应在耐久疲劳强度和低循环疲劳区内的更高载荷之间，在每个试验的整个过程中要求载荷振幅和频率续保持不变，试验最大需要达4×106个循环。到达这个循环的部件可以认为“合格，然后增加20%载荷再继续试验，数据的最小指标就得到了。1.3.2发动机连杆疲劳强度试验应用实例被试验的连杆完全是在拉压力载荷作用下进行。试验载荷可以通过一个另设的销来施加，此销代替了原来的曲柄销和轴颈销。需要5bar的机油来防止轴瓦有擦伤或过多的磨损。为了防止部件产生过多的热量，需要一个机油冷却喷嘴来保证试验样件的温度维持在45度以下。疲劳试验中用的组件或者反响了整个生产范围部件情况或样件代表了最差的零部件。假设在批量生产后不进行同样的检查，那么一般不推荐在试验前进行质量检查〔例如，开裂检查方法〕。这个试验的目的主要是分析连杆疲劳载荷。试验是在专门的连杆疲劳试验机上进行，试验机通常是液压设备来模拟运转情况下发动机连杆受到的相关载荷。[13]2.硬度检测2.1硬度检测方法的内涵材料局部抵抗硬物压入其外表的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比拟各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。硬度检测方法，按施加负荷的情况，可分为静负荷试验法和动负荷试验法两大类。静负荷试验法是在静负荷作用下把压头压入材料来测定硬度，属于这种方法的有：布氏、洛氏、外表洛氏、维氏和显微硬度试验法等。动负荷试验法是在动负荷作用下使压冲击材料来测定硬度，属于这种方法的有：冲击式布氏、肖氏硬度试验法等。2.2硬度检测方法2.2.1布氏硬度HB的检测1〕布氏硬度检测原理及其表示方法[2][6]布氏硬度试验法是由瑞典工程师J.A.B在1900年创造，是目前广泛使用的硬度试验法之一。布氏硬度试验是用一定直径的淬火钢球或硬质合金钢球，在一定负荷作用下压入度件外表，经一定时间后，卸除负荷而获得压痕，以压痕面积上所承受的平均压力来表示布氏硬度值。原理如图3所示。图3布氏硬度检测原理图式中：HB—布氏硬度值〔N/mm2〕；F—负荷〔N〕；D—钢球直径〔毫米〕；d—压痕直径〔毫米〕。由上面公式中可知，布氏硬度值可通过测量d及h而求得。但是在实践中h与d的比值在1：6至1：15.7之间，故测量h的精度没有测量d的精度高。测量h的方法只是在自动测量布氏硬度计中应用，相应的此种硬度计示值精度较低。布氏硬度的表示方法：硬度值+HBS(HBW)D/F/t例如：120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。[8]2〕布氏硬度检测的影响因素对布氏硬度试验来说，但凡影响压痕产生及压痕测量的因素，都会影响硬度值的正确性，这些因素概括地说主要包括：硬度计本身的性能〔例如：负荷大小、钢球压头的材质及测量装置〕；试验条件(例如：室温及环境状态，负荷保持时间的正确性，加荷速度的变化)；试样的制备〔例如：外表光洁度及亮度，试样硬度的均匀性〕；人员操作误差〔例如：读数误差，记录错误、查表错误、压痕位置距离过小、压痕直径的计量误差〕。[2]当我们掌握了影响布氏硬度测量的因素之后，就要采取有效措施，提高布氏硬度测量精度。例如钢球材质影响布氏硬度测量，工程师鲁统湘认为由于制造钢球的材料不同，在负荷作用时产生的变形也不同，因此测得的硬度值也会不同。另外由于钢球本身通常有一定的方向性，使用方向对测量结果也有不同的影响。为此，我们采用硬质合金钢球和淬火钢球分别测定几组相同硬度试块，工程师鲁统湘做了实验，实验数据如表1所示。表1硬质合金钢球和淬火钢球测定相同硬度[10]由实验数据可知采用材质硬、不易变形的硬质合金钢球压头试验所测得的硬度值高，特别是随着试件的硬度增高，这种现象更为显著。因此，测试时应根据样品预期硬度选用适宜的压头，通常硬质合金钢球的使用界限为650HB，淬火钢球的使用界限为450HB。3〕布氏硬度的检测的优缺点布氏硬度检测的优点：具有很高的测量精度，因此再现性好；另一方面它采用大的试验力，钢球直径也大，因而压痕面积大，它能真实反响出多晶体金属材料的平均性能，特别适合于退火钢材和铸铁等晶粒粗大的金属材料的硬度测定。布氏硬度检测的缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属硬度的测量。1.2.2洛氏硬度的检测1〕洛氏硬度检测原理及其表示方法洛氏硬度试验原理是用淬火钢球或金刚石压头，在负荷作用下压入零件外表，卸除负荷而获得压痕，经一定时间后，压痕恢复一定的高度，然后计算得到洛氏硬度值的，原理如图4所示。洛氏硬度用符号HR表示，HR=C-h/0.002〔淬火钢球时C=100，金钢石时C＝130〕洛氏硬度压头一般采用较硬的金刚石圆锥或硬质合金球。根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。HRA金钢石圆锥压头：用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB淬火钢球压头：用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC金钢石圆锥压头：用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。[4]图4洛氏硬度检测原理图2〕洛氏硬度检测的影响因素1、试样的影响试样的影响包括试样的外表粗糙度，试样的平行度以及试样的厚度等。试样的光洁度、平面性等都会对测量结果产生影响。试样外表的光洁度对硬度测量结果有较大影响,一般来说,光洁度较高的试样硬度测量结果偏低。此外,由于试样的平面性不好,或外表有腐蚀或油污也会使测量结果偏低。另外,在试样与硬度计工作台之间加垫块或支撑块也有可能会对测量结果造成影响。根据洛氏硬度计的标准,硬度计工作台的硬度应该在55HRC以上局部企业由于需要测量的零件形状不规那么,会另外加工一些垫块或支撑块,但如果垫块硬度不够或者几何形状不正确等,就会影响测量结果。不同外表粗糙度下洛氏硬度的测量误差不同，对于外表粗糙度大的外表，在相同试验力作用下较外表粗糙度小的平面压头压入深度要更大些，因此测得的洛氏硬度值偏低。试样的倾斜角越大，测试结果与标准硬度块标称值之间的偏差越大，但对低硬度试样影响相对较小。2、其他影响因素初试验力、主试验力、压头、测量机构、主试验力施加速度、总试验力保持时间、硬度计安装不水平、现场环境温度过高或过低、硬度计机架弹性变形、工作台外表锈蚀、硬度计主轴变形等都会对测量结果造成影响。3〕洛氏硬度检测方法的优缺点洛氏硬度检测的优点：操作简便，压痕小，适用范围广；洛氏硬度检测的缺点：测量结果分散度大2.2.3维氏硬度〔HV〕的检测1〕维氏硬度检测原理及其表示方法维氏硬度的测量原理是在一定压力下，将压针压入试样的外表，材料的硬度与压入的深度成反比，维氏硬度计就直接显示硬度读数。[1]图5维氏硬度原理图维氏硬度用符号HV表示，，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。[8]例如640HV30表示用30Kgf(294.2N)试验力保持10s～15s测定的硬度值为640；2〕维氏硬度检测的影响因素1、试验力的影响对于匀质材料，根据相似原理的理论，负荷大小对维氏硬度没有影响。然而，对于象软钢及黄铜等许多软金属，由于在较大负荷作用下，塑性影响区较大，材料抵抗压头压力的能力小，因而，硬度值随负荷的增加而下降。对于非匀质材料，负荷大小对维氏硬度值的影响更为明显。[7]2、加荷速度对维氏硬度值的影响由表3结果可知：对于同一硬度试样。随着加荷速度增大，硬度值降低。对于不同硬度试样来说，加荷速度对高硬度试样的影响大，对低硬度试样影响小，这是因为加荷速度过快，产生了附加惯性力，使结果偏低，尤其对高硬度材料影响较大。同时，加荷速度过快，又会使试验力作用时间短，试样来不及充分变形，又有使硬度值增高的倾向，这种影响对塑性较好的金属比拟明显。[7]表2加荷速度对维氏硬度值的影响3、试验力保持时间对维氏硬度值的影响从表3中可以看出，试验力保持时间短会使硬度值偏高，这是由于保持时间短，试样未充分变形，使压痕减小，造成硬度值增高。反之，保持时间长，硬度值偏低。[7]表3试验力保持时间对硬度值的影响另外，试验力保持时间对低硬度影响较大，对高硬度影响小。在显微硬度试验中。负荷保持时间的影响远不如计量误差对硬度值的影响大。因此在显微硬度试验时，负荷保持时间对黑色金属以5—15s为宜。4、试验温度对维氏硬度的影响试验温度变化对维氏硬度值有较大的影响。一般来说，温度升高测得的硬度值偏低，反之偏高。[7]例如：当温度为O℃时，测得某试样硬度值为200HV，将该值修正到20℃时的硬度值，应为HV(200-200×1．05)=197．9HV5、金刚石压头两相对面间的夹角的影响6、金刚石压头压头横刃的影响维氏硬度的综合误差可用下式表示：[7]3〕维氏硬度检测方法的优缺点维氏硬度检测方法的优点：维氏硬度保存了布氏硬度和洛氏硬度的优点，维氏硬度计使用的环境要求不高，一般实验室环境即可满足，既可以在生产线上现场使用，也可以作为实验室检验使用。与布氏、洛氏硬度相比拟，由于维氏硬度试验的压痕是具有清晰轮廓的正方形，对角线的测量精确度高，它又有一个统一的标尺，因此它的测量范围较宽，可以测量目前所使用的绝大局部金属材料的硬度。当试样的材质是均匀的结构时，用测量对角线长度方法计算的硬度值不但精确度高而且重复性好。维氏硬度属于静态力硬度试验方法，它的测量范围较宽，特别适用于细小、极薄的材料，以及氮化、渗碳等外表处理的试件和各种镀层试样的外表硬度测定。在静态硬度测定中，维氏硬度方法是最精确的一种。[7]维氏硬度检测方法的缺点：由于在实际操作中，维氏硬度试验易受到多种因素的影响，使试验结果产生偏差。因此，应在试验操作过程中注意其影响因素，尽可能减少误差，以获得准确、可靠的试验结果。3.耐磨性检测3.1耐磨性检测的原理与方法耐磨性几乎和材料所有性能都有关系，而且在不同磨耗机理条件下，为提高耐磨性对材料性能亦有不同要求。由于摩擦材料和试验条件各不相同，可用磨耗指数表示或由用磨耗试验机在规定条件下进行试验所测得的材料减量〔g/cm2〕，或其倒数表示，耐磨性是摩擦磨损试验中的一个测量参量。磨料磨损是金属材料磨损失效的一种形式，它是金属材料同磨料相接触并在相对运动中金属材料一局部脱离基体形成磨屑的过程。其特征是接触面上有明显的切削痕迹。如挖掘机斗齿、粉碎机中锤头的磨损失效。使用专用的磨料磨损试验机，先测出按标准制成的试样的重量〔g或mg〕，然后将其装卡于卡头内，并给卡头一定的负荷，使试样与磨料〔刚玉砂纸〕作相对的运动，一定行程后取出试样再测其重量，可知其失重为：W＝Ｗ原－Ｗ磨两种材料〔或同种材料经热处理后〕在同样条件下磨损试验后也可进行相比照拟。即相对耐磨性3.2耐磨性检测的影响因素1．材料硬度：未热处理钢，其抗磨粒磨损的耐磨性与其自然硬度成正比；经过热处理的钢，其耐磨性随硬度增加而增加；钢中碳及碳化物形成元素的含量越高，耐磨性越好。2．显微组织：自铁素体逐步变为珠光体、贝氏体、马氏体，那么耐磨性提高。在软基体中增加碳化物的数量及弥散度，可改善耐磨性；硬基体中碳化物硬度与基体硬度相近，那么使耐磨性受到损害；摩擦条件一定时，如碳化物硬度比磨粒硬度低，那么提高碳化物硬度，将增加耐磨性。3．加工硬化：低应力磨损时，加工硬化不能提高外表的耐磨性；高应力磨损时，外表加工硬化硬度越高，耐磨性越好。3.3涂层耐磨性试验的应用实例涂料工业中耐磨性指涂层对摩擦机械作用的抵抗能力，实际上是涂层的硬度、附着力和内聚力综合效应的表达。在条件相同的情况下，涂层耐磨性优于金属材料，因其有黏弹性效应，可把能量缓冲、吸收和释放掉。通常用涂膜耐磨仪测定耐磨性。在一定的负载下，涂膜用橡胶砂轮经规定的转数打磨后，求得涂膜的失重量，以克〔g〕表示。涂层耐磨性通常采用砂轮研磨或砂粒冲击的试验方式来测定，涂层耐磨性是使用过程中经常受到机械磨损的涂层的重要特征之一。国内外常用的涂层耐磨性试验方法及其主要技术特征如表4所示。[16]表4涂层耐磨性试验方法及主要技术特征涂层耐磨性试验方法主要包括：旋转磨擦橡胶轮法(Taber试验)；落砂冲刷试验法；喷砂冲击试验法；往复运运磨耗试验法。[16]4.力学性能检测技术的开展前景4.1力学性能测试标准化标准化是一项非常重要的工作，有重大的社会效益与经济效益，应予以重视。目前结合国内金属力学性能测试条件和水平，积极引用国际标准化工作的先进经验和科技新成果,大力开展金属力学性能测试方法标准的制订工作。国际标准化组织制订的金属力学性能测试方法标准,既吸收了当前世界各国在金属力学性能测试技术方面的科研新成的特点,也考虑到当前一般的科学技术水平，是一种为大多数国家所接受的一种标准。目前许多国家已把的技术标准公认为科学技术交流和国际贸易的准那么，向技术标准靠拢,可以说是当前世界标准化工作的总趋势最近十多年以来,我国开展了金属力学性能测试方面的标准化科研工作，并吸收世界各国先进标准的优点,制订了我国金属力学性能试验方法标准,根本上已形成了我国的标准体系。为了配合我国大飞机的研制工程，国内许多航空航天企业和实验室都在申请NADCAP认证，它是由美国航空航天和国防工业巨头与美国国防部、SAE等机构共同发起和开展的一个专门对航空航天工业的特殊产品的力学性能认证的体系，其宗旨是以通用的第三方认证解决方案代替各自对供给商进行重复的特种工艺审查认证，以便有效地降低其供给商开展本钱和潜在风险。4.2机电一体化，力学性能检测功能和精度提高如拉压试验机，过去应用摆锤式测力计,类似塑料，橡胶等材料需要较高试验速度时，由于摆锤摆动的惯性引起的负荷误差竟达l5％之多，现采用电子测力，测变形及机电伺服闭环控制技术的电子万能试验机，这种现象不再存在了。4.3计算机的引入，力学性能检测自动化程度提高随着计算机的引入，力学性能测试的自动化程度不断提高。[12]试样的加工、处理、搬运、装卡等过程的自动化；在整个试验过程中控制试验参数,如温度、载荷、应力、应变、加载速率、应变速率、试样长度等保持恒定或按一定规律发生变化的试验过程控制的自动化；试验结果如试样连续不断的变形、应力或应变随时间的变化、裂纹长度的变化、应力