力学性能第六单元 (2)

第九单元金属工艺性能试验本单元导读将金属由原材料加工成符合要求的零件或构件，必须经过一系列的加工过程，如铸、锻、焊、冲压、热处理及切削加工等。金属工艺性能试验是检查金属材料承受一定变形的能力，或检查相似使用条件下能承受作用力的能力，以确定某金属材料是否适应某种加工工艺过程。工艺性能试验时一般不考虑应力的大小，而以材料变形后的表面情况来评定其工艺性能。本单元主要介绍实验室中常用的几种工艺性能试验，包括金属弯曲试验、杯突试验、顶锻试验，金属线材扭转试验、反复弯曲试验和金属管试验等。金属工艺性能试验特点工艺性能试验是检验金属材料是否适用于某种加工工艺的最实际的试验方法，试验方法简便，无需复杂的试验设备，有别于其他常规的力学性能试验，其特点是：金属工艺性能试验特点试验过程与材料的使用条件相似。试验结果的评定是以受力后表面变形情况(如裂纹、断裂等)以及变形后所规定的某些特征来考核材料的优劣。因此，试验结果能反映出材料的塑性、韧性及部分质量问题。试样加工容易。工艺性能试验通常可作为一般常规力学性能试验的补充试验。其试验结果可反映材料工艺性能的优劣，有助于材料生产厂家进一步改进和完善冶炼、冷热加工等工艺。随着工业技术的发展，金属工艺性能试验方法正在不断完善和发展，许多工艺性能试验方法均已标准化。现将目前应用普遍、有国家标准的工艺方法加以介绍。模块一金属弯曲试验一、金属弯曲试验及其工程意义金属弯曲试验是将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，将材料试样围绕具有一定直径的弯心弯曲至规定的角度或不带弯心弯到两面接触(即弯曲180º，弯心直径d=0)后，卸除试验力，检查试样承受变形的能力。试验一般在室温下进行，所以也常称为冷弯试验。【小资料】这里所指的弯曲试验不同于第二单元的弯曲力学性能试验，并不测量金属材料的弯曲强度极限σbb和弯曲时的断裂挠度f等力学性能指标。它的目的有二：一是用于检定金属材料弯曲成一定形状和尺寸后的变形能力，二是显示其缺陷。一、金属弯曲试验及其工程意义由于弯曲试验时试样中部受弯部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用，因此也是考查钢材在复杂应力状态下塑性变形能力的一项指标。所以，弯曲试验对钢材质量是较严格的检验方法之一，适用于各种板材、型材、带材及有焊接性能要求的材料。金属弯曲试验按照GB/T232－1999《金属材料弯曲试验方法》进行。二、试样1.形状和尺寸弯曲试验试样的横截面形状可以为圆形、方形、矩形和多边形，但应参照相关产品标准或技术协议的规定。试样横截面尺寸应根据材料种类、特性和试验机能力确定。在条件允许情况下取全截面尺寸进行试验。但大多数情况下并不允许进行全截面尺寸弯曲试验。当相关产品标准未作具体规定时，一般按下述要求进行。试样的宽度当原材料的宽度不大于20mm时，试样宽度为原材料的宽度；当材料宽度大于20mm，厚度小于3mm的板材，试样宽度为(20±5)mm；厚度不小于3mm的板材，试样宽度在20~50mm之间。试样厚度或直径对于板材、带材和型材，当其厚度不大于25mm时，试样厚度应为原材料厚度；材料厚度大于25mm时，试样厚度可以机加工减薄至25mm，并保留一侧原表面。对直径或多边形横截面内切圆直径不大于50mm的材料，试样横截面与原材料相同。如试验机能力不足时，对于直径或多边形横截面内切圆直径在30mm至50mm之间的材料，将其机加工成横截面内切圆直径不小于25mm的试样；直径或多边形内切圆直径大于50mm的材料，将其加工成横截面内切圆直径不小于25mm的试样，并保留一侧原表面。弯曲试验时，试样原表面应位于受拉变形的一侧。试样长度试样的长度应根据试样厚度和所使用的试验装置的尺寸而定，通常按下式确定：

L=0.5π（D+a)十140在这个图中,标有橙色的部位进行取样称侧弯，兰色部位取样为面弯，它的底部为背弯.。2.加工方法室温下可用锯、铣、刨等加工方法截取，如用气割等方法应去除气割等形成的影响区域。试样受试部位不允许有任何压痕和伤痕，棱边必须锉圆，其半径不应大于试样厚度的1/10。对于有必要矫直的试样，应在常温下平稳施加压力。试样的端部应打印或用其他方法标记试样的代号。三、试验方法1.试验装置弯曲试验通常在万能材料试验机或压力机上进行，

常用的弯曲装置有支辊式、V型模具式、虎钳式、板式、等，其中支辊式弯曲装置是最常用的,而V型模具式在国内应用较少。支辊式弯曲装置属于导向弯曲。试验时，将试样置于两支点上，以规定直径的弯心在试样两支点中间施加压力进行弯曲，根据相关产品标准或技术协议的规定，使试样弯曲到规定的角度(在加载状态下测量)或出现肉眼可见裂纹为止。2.试验过程试样在两个支点上按一定弯心直径弯曲至两臂平行时，可一次完成试验，也可先弯曲至90°，然后放置在试验机平板之间继续施加压力，压至试样两臂平行。3.试验结果评定金属弯曲试验结果应按照相关产品标准或技术协议的要求进行评定。如产品标准或技术协议无具体规定，一般在试验后检查试样弯曲部分的外面、里面和侧面，若弯曲处无裂纹、起层或断裂现象，即可认为弯曲性能合格。模块二金属杯突试验一、金属杯突试验及其工程意义金属杯突试验也称埃里克森试验(Erichsentest)，是常用的一种工艺性能试验方法，它主要用于在给定试验条件下，测定薄板或带状金属材料的冷冲压性能。杯突试验通常是在杯突试验机上进行，试验采用端部为球形的冲头，将夹紧的试样压入压模内，直至出现穿透裂纹为止，此时冲头压入深度(mm)即为被试板材或带材的杯突值，以此来判断材料的塑性变形性能。图9-7杯突试验示意图

1-压模2-试样3-垫模4冲头一、金属杯突试验及其工程意义试样在做过杯突试验后就像只冲压成的杯子，不过是只破裂的杯子。金属杯突试验应按照GB/T4156－2007《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》进行。二、试样金属杯突试样从表面无缺陷的板卷或带卷上切取，试样厚度为薄板材料的原厚度（0.2～2mm）。试样可以是长条形，其宽度为90～95mm，长度至少为270mm，也可以为直径90～95mm的圆形试样，或边长为90～95mm的方形试样。试样数量按产品标准或技术协议规定，如无具体规定，一般取3个试样。对于宽度30～90mm的带材，如产品要求，且试验机具备相应的配件，也可以进行杯突试验。切取试样时必须保持试样平整，不得扭曲，边缘应无毛刺，应不经矫直进行试验。试样不应在试验前受锤击或冷热加工和划伤，也不允许经过热处理。对于宽度30～90mm的带材，如产品要求，且试验机具备相应的配件，也可以进行杯突试验。试样尺寸与冲头直径及压模孔径试样宽度/mm试样厚度度/mm冲头直径/mm压模孔径/mm90～950.2～2202755～900.2～2152130～350.2～1811三、试验方法金属杯突试验应在10～35℃的室温下进行，对试验温度有较严要求的，试验温度应为23℃士5℃。试验前可用汽油清洗试样并擦干，测量和记录试样厚度，精确到0.01mm。试样两面和冲头表面应均匀地涂以无腐蚀性的润滑剂，如石墨润滑脂，以减少试样与冲头之间的摩擦对试验结果的影响。试验机调整至零点后，将试样置于压模和垫模之间，并旋转压模夹紧试样，其夹紧力约为10kN，试样的中心尽可能与试验机冲头轴线一致。如为长条形试样，相邻两个压痕中心距离不得小于90mm，压痕中心距试样边缘的距离不得小于45mm。在无冲击的情况下对试样进行杯突试验，施加压力应平稳均匀，试验速率在5～20mm/min之间。当试验进行到最大载荷点时，应将试验速率减至上述速率的下限，以便正确地确定裂纹出现的瞬间。当裂纹开始穿透试样厚度(透光)时即终止试验。然后测定杯突深度即为杯突值，杯突值用IE表示。四、试验结果评定从冲头与试样表面接触点起，直到试样出现裂纹并开始穿透试样厚度(透光)为止，此时冲头的压入深度即评定为杯突值，单位为mm。杯突值分散度较明显，一般至少试验3个试样，试验结果精确到0.1mm。杯突试验过程相似于金属的冷冲压过程，杯突试验结果可直接用来确定金属材料的冷冲压性能。模块三金属顶锻试验一、什么是顶锻试验金属顶锻试验是将一定尺寸的试样，在室温或热状态下沿试样轴线方向施加压力，将试样压缩，检验金属在规定的锻压比下承受顶锻塑性变形的能力并显示金属表面缺陷。二、金属顶锻试样试样从外观检查合格的材料的任意部位切取，如有关标准或技术协议对试样切取部位另有规定时，则按规定执行。试样可用锯、刨、剪切或烧割方法切取，截取试样的方法和过程不应改变材料的性能。但其受剪切或烧割影响试验结果的区域应在机床(锯、刨或车床)上切除。试样横截面尺寸应与被试材料料尺寸相等，同时保留原轧制面或拔制面。试样的高度h，对于钢铁材料应为试样横截面尺寸的2倍，对于非铁金属应为试样横截面尺寸的1/2。三、试验方法1.试验设备金属顶锻试验可用万能材料试验机、顶锻试验机、压力机或手锤完成。试验时可使用支撑板和防止试样偏斜的夹具。支撑板应有足够的刚性。2.试验方法冷顶锻试验一般在10～35℃的室温下进行，对于温度要求较严格的试验，试验温度应为23℃士5℃。对于热顶锻试验，试样的加热温度、加热时间和允许的终锻温度应按照相关产品标准规定的要求。试验可在静载或动载下进行。如试样直径或边长小于或等于15mm时，可用锤打或锻打至规定的高度;当试样直径或边长大于15mm时，则可在压力机或锻压机上压或锻至规定高度。顶锻试验后试样不应有扭歪锻斜现象,如有此类现象出现，试验结果无效,应重新进行试验。顶锻试验后试样高度允许偏差不超过±5％h。顶锻试验试样所达到的最终高度按下式计算:

式中

h1—顶锻后试样高度；

h—顶锻前试样高度；

X—锻压比。四、试验结果评定顶锻后检查试样侧面，在有关标准未作具体规定的情况下，一般如无裂缝、裂口、贯裂、扯破、折迭或气泡，即认为试样合格。模块四金属线材扭转试验一、金属线材扭转试验及其工程意义金属线材扭转试验是将试样两端夹紧并施加拉紧力，两夹头间保持规定的标距长度，一端夹头围绕试样轴线旋转，用于检验直径(或特征尺寸)小于等于10mm的金属线材扭转时承受塑性变形的性能，并显示金属的不均匀性、表面缺陷及部分内部缺陷。试验原理按照GB/T239-1999《金属线材扭转试验方法》规定，其试验原理有二：单向扭转试样绕自身轴线向一个方向均匀旋转360°作为一次扭转至规定次数或试样断裂。双向扭转试样绕自身轴线向一个方向均匀旋转360°作为一次扭转至规定次数后，向相反方向旋转相同次数或试样断裂。二、试样线材公称直径d或特征尺寸D夹头之间标距长度L0.3~<1.0200d(D)1.0~<5.0100d(D)5.0~1050d(D)由于试验设备的限制，当试验机不能用100d(D)的标距长度时，经协议可改用50d(D)或30d(D)。但试样最小标距长度应为L≥50mm，最大不超过500mm。二、试样试样应从外观检查合格线材的任意部位切取，如有关标准或技术协议对取样部位另有规定时，则按规定执行。切取的试样应尽可能是平直的，如果有必要，可对试样进行矫直，当用手不能矫直时，可将试样置于木材、塑料或铜质平面上，用由这些材料制成的锤子或其他合适的方法轻轻矫直。矫直时，试样表面不得有损伤，也不允许受任何扭曲。三、试验方法1.试验设备金属线材扭转试验是在线材扭转试验机上进行的，应根据线材直径选择试验机型号。试验机应满足下列要求：（1）试验机夹头应具有足够的硬度，夹持钳口的硬度为55～65HRC。（2）试验期间，两夹头应保持在同一轴线上，并对试样不施加任何弯曲力，不得妨碍由试样引起的夹头之间长度的变化。（3）试验机夹头的一端应能绕试样轴线双向旋转，而另一端不得有任何转动，但能沿轴向白由.移动。（4）试验机应有对试样施加拉紧力的装置。（5）试验机的速度应能调节，并有自动记录扭转次数的装置及测量两夹头间标距长度的刻度尺。线材扭转试验机2.试验过程试验一般应在10～35℃的室温下进行，如有特殊要求，试验温度应为23℃±5℃。将试样置于试验机夹持钳口中，使其轴线与夹头轴线相重合。为使试样在试验过程中保持平直，应施加某种形式的拉紧力，这种拉紧力不得大于该线材公称抗拉强度相应力值的2％。除非另有规定，否则应按有关材质的线材直径选用相应的扭转速度，其偏差应控制在规定转速的土10%以内。试样置于试验机后，以一合适的恒定速度旋转可转动夹头，计数装置同时自动记数，直至试样断裂或达到规定的次数为止。3.试验结果评定当试样的扭转次数、表面及断口符合有关标准规定时，则该试验有效。如果试样未达到规定的次数，且断口位置在离夹头2d(D)范围内，则该试验无效。在试验过程中，如试样发生严重劈裂，则最后次扭转不计，需重新试验。模块五金属反复弯曲试验一、金属反复弯曲试验及其工程意义金属反复弯曲试验是将试样一端固定，然后绕规定半径的圆柱支座使试样弯曲90°，再沿相反方向弯曲的重复弯曲试验。金属反复弯曲试验用于检验金属线材（0.3～10mm)、薄板和薄带(≤3mm)在反复弯曲中承受塑性变形能力并显示其缺陷。二、试样试样从外观检查合格的材料的任意部位上切取，并保留原表面无损伤。对于薄板或薄带，样坯的切取位置和方向应按照相关产品标准的要求。样坯应保留足够的机加工余量，试样的制备应使热和加工硬化的影响减至最小。试样表面应无裂纹或伤痕，棱边应无毛刺。材料试样厚度或直径试样宽度试样长度线材0.3～10150～250板材、带材≤3mm，试样等于原材料厚度≤20，等于原材料宽度150>20，加工成宽度20～25150金属反复弯曲试样尺寸（单位：mm）三、金属反复弯曲试验方法试验一般应在10～35℃的室温下进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃士5℃。根据线材直径，选择圆柱支座半径r，圆柱支座顶部至拨杆底部距离h以及拨杆孔直径dg。使弯曲臂处于垂直位置，将试样由拨杆孔插入，试样下端用夹块夹紧，并使试样垂直于圆柱支座轴线。非圆形试样的夹持，应使其较大尺寸平行于或近似平行于夹持面。弯曲试验一般以每秒钟不超过l次的速率进行，为了保证弯曲时试样产生的热量不致影响试验结果，必要时可以降低弯曲试验速率。操作应平稳无冲击，试验应连续进行，试验过程中不得中断。为了确保试样在弯曲时与圆柱支座的圆弧面能良好接触，可施加某种形式的拉紧力，这种形式的拉紧力不得超过材料标称抗拉强度的2％相对应的力值。如相关产品标准另有规定，应按其执行。四、金属反复弯曲试验结果评定金属反复弯曲试验结果评定方法有两种:（1）金属试样达到规定反复弯曲次数时，检查试样及覆盖层弯曲处，如无裂纹、裂口、断裂、起层、起皮即认为合格。为正常生产中检验、评定金属材料反复弯曲性能的方法。（2）试样断裂时的反复弯曲次数达到或超过规定的次数即认为合格，并记下弯曲次数Nb。用于比较相同或不同金属材料抵抗反复弯曲性能的优劣，为了合理的选材或设计，这个数据是必要的。模块六金属管工艺试验金属管因用途不同，需做各种工艺性能试验，以确定其对机械加工的适应性，并显示缺陷。管材常用的工艺性能试验有:液压试验、弯曲试验、压扁试验、卷边试验、扩口试验、缩口试验等。一、金属管扩口试验金属管扩口试验是管材工艺性能试验方法之一，是用圆锥形顶芯扩大管段试样的一端，直至扩大端的最大外径达到相关产品标准所规定的值，用以检验在给定条件下管的塑性变形的极限能力。金属管扩口试验适用于外径不超过150mm(有色金属管外径不超过100mm)、管壁厚度不超过10mm的金属管。适用金属管的外径和壁厚范围可以在相关的产品标准中做更详细的规定。通常通过扩口试验检验金属管产品是否符合产品标准要求，或比较在相同条件下金属管的塑性变形能力的优劣，所以一般作为验收试验。一、金属管扩口试验1.试样金属管扩口试样应从外观检查合格的金属竹材上的任意部位切取，切取试样时应防止损伤试样表面和因受热或冷加工而改变其性能，试样的两端面应垂直于管的轴线。试验端的棱边允许用锉或其他方法将其倒圆或倒角，试验焊接管时，可以去除管内壁的焊缝余高。2.试验过程金属管扩口试验按照GB/T242-2007进行。试验一般应在10～35℃的室温下进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃士5℃。试验一般应在可调节速率的万能材料试验机或压力机上进行。圆锥形顶芯应具有相关产品标准所规定的角度，其工作表面应磨光并具有足够的硬度。国家标准推荐采用的顶芯角度为30°、45°和60°。试验时选取符合规定要求的圆锥顶芯，并在其锥面上涂以润滑油。将试样装在试验装置上，将顶芯平稳地压入试样的一端，使管口均匀地扩张到有关标准规定的外径或出现裂纹。扩口期间圆锥形顶芯的轴线应与试样的轴线一致。试验时，顶芯在试样中压入速率应不大于50mm/min，如有争议或仲裁试验时，试验速率应采用20～50mm/min。试样的长度取决于顶芯的角度。当顶芯角度小于或等于30°时，试样长度应约为金属管外径的2倍；当顶芯角度大于30°时，其长度应约为外径的1.5倍，但不得小于50mm。对于外径小于20mm的管材，只要试验后能保证剩余圆柱的长度不小于0.5D(D为金属管外径)，可以采用较短的试样。当试验纵向焊接管时，允许使用带沟槽的顶芯，以适应管内的焊缝余高。试验过程中顶芯不应相对于试样转动。3.试验结果评定对扩口试验结果的评定应依据相关产品标准的要求。当产品标准中没做规定时，在不使用放大镜的情况下，如果无可见裂纹，应评定为合格。仅在试样棱角处的轻微开裂不应判废。如要求测量出现裂纹时的极限扩口率，则应根据扩口至第一条可见裂纹出现时的管端外径来计算其扩口率。当此扩口率大于或等于规定要求时，则认为试样合格。试样扩口后的最大外径或扩口率应由相关产品标准规定。扩口率Xd的计算公式如下:

式中D——试样端部的原始外径，mm；

DU——扩口后试样最大外径，mm。二、金属管弯曲试验金属管弯曲试验适用于外径不超过65mm圆形横截面的金属管全截面弯曲塑性变形性能并显示其缺陷的工艺性能试验。试验时将一根全截面的直管绕一规定半径和带槽的弯心弯曲，直至弯曲角度达到相关产品标准所规定的值，然后检查管子弯曲变形部位的表面状态，做出结果评定。1.试样试样从外观检查合格的金属管的任意部位切取，如有关标准或技术协议对试样切取部位另有规定时，则按规定执行。试样应是具有足够试验长度的直管段，试样长度应能保证在规定的弯曲角度和弯心半径下进行弯曲。管材的内外壁均不经加工(即保留原表面)。2.试验过程金属管弯曲试验按照GB/T244－2008进行。试验一般应在10～35℃的室温下进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。弯管试验应在弯管试验装置上进行，试验时试验装置应能限制管的横截面发生椭圆变形，弯曲后试样椭圆处横截面短轴的最小值不得小于原外径的85%。弯管试验装置的弯心应具有与管外径轮廓相适应的沟槽，弯心半径应由相关产品标准规定。通过弯管试验装置将不带填充物的管试样弯曲，试验时