不锈钢力学性能试验

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鸿运彩票app不锈钢热处理后,需对所达到的效果进行试验。除一般力学性能试验外,还应根据要求进行耐腐蚀试验。

一、硬度试验

鸿运彩票app根据不锈钢热处理类型的不同,经常采用的有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、维氏硬度试验等。

1.布氏硬度试验

布氏硬度试验是对一定直径的硬质合金球(过去也常用钢球)施加试验力压入试样表面,经规定的保持时间后,卸除试验力,再测量试样表面压痕的直径。见图9-1。

根据试验力、压球直径、压痕直径来确定布氏硬度值

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式中: F为试验力(N); D为压球直径(mm); d为压痕直径(mm),[(d= d1+ d2)/2]; HB为硬度值。采用硬质合金球时记为HBW,采用钢球时记为HBS。

在实际试验时,根据试验材料种类、试样尺寸、硬度范围等因素,采用不同直径的压球(常用球的直径有10mm、5mm、2.5mm、1mm),又根据零件的硬度程度,可采用不同的F/D2比值,可有30、10、5、2.5、1。因此,试验力最小为9.807N,最大为29420N。加载保持时间一般为10~15s,也有20s或更长的。

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图9-1 布氏硬度试验原理

在实际试验时,可根据压痕直径直接查表确定布氏硬度值。表9-1给出了不同压球直径在相应的载荷下,依据压痕直径确定的布氏硬度值。

表9-1 金属布氏硬度(HB)数值表

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续表

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注:(1)表中压痕直径为φ10mm钢球试验数值,如用其他尺寸钢球试验时,压痕直径应增大相应倍数后在表中查出。

 (2)表中未列出压痕直径的H B值,可根据上下两数值用内插法计算求得。

在提交布氏硬度试验报告时,除注明硬度值外,还应标明采用的球材质、球直径、试验力及试验力下的保持时间。

[例1]285HBW10/3000,表示用直径10mm的硬质合金球,施加29420N(3000kgf)试验力,保持10~15s条件下测得的布氏硬度值为285。

[例2]269HBS5/125/20,表示用直径5mm的钢球,施加1226N(125kgf)试验力,保持20s条件下测得的布氏硬度值为269。

进行布氏硬度试验时,试样表面应光滑、平坦,表面洁净,表面粗糙度一般不大于R a1.6μm。试样厚度应大于压痕深度的8倍以上。试验压痕中心距试样边缘的距离应大于压痕直径2.5倍以上,两相邻压痕之间的中心距离至少为压痕直径的3倍。

测量压痕时,应在同一压痕的垂直方向分别测量,取两个实测值的平均值为压痕直径值。

国家标准GB/T 231.1《金属布氏硬度试验第1部分:试验方法》中,规定了试验设备、试样要求、试验方法及一些注意事项。

在热处理生产现场,对于大型工件无法用布氏硬度机试验时,可采用便携式或锤击式布氏硬度计。这类简易布氏硬度计的测量误差较大。

布氏硬度试验适用于奥氏体不锈钢固溶化、双相不锈钢固溶化、马氏体不锈钢退火和调质以及沉淀硬化不锈钢固溶、时效处理后的硬度检测。

2.洛氏硬度试验

洛氏硬度试验是将压头先用一个初始试验力F0压入试样表面,压入深度为h1,见图9-2,再将主试验力F1继续压入试样,增加压入深度为h2,经规定的保持时间后,卸去主试验力F1,此时,压头将回升一段距离h3,测量此时的残余压入深度h4,根据残余压入深度h4和常数N及S计算洛氏硬度

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鸿运彩票app式中: N为给定标尺的硬度数常数; S为给定标尺的单位(mm)。

洛氏硬度压头、初始试验力F0、主试验力F1、计算常数N和S都依据洛氏硬度标尺的不同而不同。见表9-2。

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F0:初始试验力(N)

F1:主试验力(N)

h1: F0下的压入深度(mm) h2: F1引起的压入深度(mm)

h3:去除F1后回复深度(mm)

h4:残余压入深度(mm)

图9-2 洛氏硬度试验原理图

鸿运彩票app洛氏硬度的实测值均可在洛氏硬度计表盘或显示屏中显示。

依据不锈钢的种类及热处理方式的不同,常用的有HRA、HRB、HRC、HRN等。

[例3]60HRC,表示用洛氏硬度C标尺测得的洛氏硬度为60。

[例4]60HRB,表示用洛氏硬度B标尺,测得的洛氏硬度为60。

鸿运彩票app进行洛氏硬度试验时,试样表面应光滑平坦,表面洁净,试样表面粗糙度不大于0.8μm。对于用金刚石圆锥压头进行的试验,试样或试验层的厚度应不小于残余压痕深度的10倍;对于用球压头进行的试验,试样或试验层的厚度不小于残余压痕深度的15倍。两次压痕的间距应大于3倍压痕直径,压痕距试样边缘应大于2.5倍压痕直径。

国家标准GB/T 230.1《金属洛氏硬度试验第1部分:试验方法》中,规定了试验设备、试样要求、试验方法及一些注意事项。

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3.维氏硬度试验

维氏硬度试验是将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用试验力压入试样表面,保持规定的时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕的对角线长度来评定硬度的试验方法。维氏硬度试验原理见图9-3。

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鸿运彩票app图9-3 维氏硬度试验原理示意图

维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商,压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状。式中: F为试验力(N); d为压痕两个对角线长度的算术平均值(mm)。

在实际试验中,根据试验力的不同和压痕的深浅,即压痕两对角线算术平均值的不同,查表来确定试验件的维氏硬度值。提交报告时,应将所采用的试验力标志在硬度符号的左下角处。例:用试验力49.03N所测的硬度值为700时,标示为700HV5(49.03N≈5kgf)。

鸿运彩票app我国标准GB/T 4340.1《金属维氏硬度试验第1部分:试验方法》中,对试验设备、试样、试验方法等都有明确的规定。

维氏硬度主要用来检测淬火钢和表面硬化处理件的硬度值。

表9-3是试验力为98N测得的压痕对角线长度对应的维氏硬度值,不同试验力,应查对应试验力的表。

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表9-3 压痕对角线长度d与维氏硬度值对照表(载荷98N)

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续表

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实测压痕对角线超出表9-3的范围时,硬度值的评定方法如下。

(1)将实测压痕对角线长度值的小数点移动一位,变成表中含有的数值。

(2)按改变后的对角线数值查表9-3中标示的硬度值。

(3)将查得的硬度值的小数点向对角线小数点移动方向相同方向移两位,所得值即为实测压痕的硬度值。

鸿运彩票app例如,压痕对角线实测值为2.01mm,求其硬度值。

(1)将对角线长度实测值2.01mm的小数点向左移动一位,变成0.201mm。

(2)查表9-3,对角线长度0.201mm的硬度值为459HV。

(3)将459HV的小数点向左移动两位,为4。59HV。

(4) 4.59HV即压痕对角线为2.01mm时所对应的硬度值。

对不锈钢及其他金属在不同热处理条件、状态下的硬度检测方法中,除上面提到的布氏硬度试验法,洛氏硬度试验法、维氏硬度试验法外,还有肖氏硬度试验法(HS)、里氏硬度试验法(HL)、显微硬度试验法等。

肖氏硬度与洛氏硬度的换算见附表三,里氏硬度换算见附表四。硬度换算值来源于不同资料,各表硬度值之间可能略有差别,仅供参考。材料硬度与抗拉强度有一定的关系,见附表五和附表六。

二、室温拉伸试验

室温拉伸试验是指在10~35℃室温条件下(当有严格温度要求时,确定为(23±5)℃),对金属材料进行静拉伸试验。通过静拉伸试验,可以测量材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等反映材料强度和塑性的基本性能值。为方便说明,先将金属试样受外力拉伸时的变形规律进行简要的介绍。

当金属材料试样受拉力P时,将产生拉伸变形。力比较小时,试样的伸长随载荷成正比例增加,保持直线关系,力去除后试样恢复原状,这种变形叫弹性变形。当拉力增大到一定程度时,去掉拉力后试样的伸长只能部分恢复,而保留一部分残余变形。这个残余变形叫塑性变形。当拉力再增加到一定值时,试样在拉力不再增加或拉力减少的情况下而继续伸长变形。此时,认为金属发生了屈服。在屈服阶段以后,要使试样继续变形,必须不断增加拉力。随着塑性变形增加,变形抗力不断增加的现象叫形变强化,当拉力继续增加到一定值后,试样的某一部分截面开始急剧缩小,产生“缩颈”,这时,拉力开始减小,直至试样断裂。见图9-4。

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图9-4 金属拉伸应力—应变示意图

在对试样进行静拉伸试验时,某些特定点时的拉力P与试样原始截面S0的比值,常被作为考核材料静拉伸时的强度特性的标准。

1.屈服强度

当有屈服特征的材料,静拉伸呈现屈服现象时,在试验期间达到发生塑性变形而力不增加时的应力(外力与试样原始截面之比)叫屈服强度,见图9-4。试样发生屈服而力首次下降前的最高应力(力P H与原始截面S0比值)叫上屈服强度,记为R。R= P╱S(N/mm2);在试样屈服期间,不计初始效应eHeHH0时的最低应力(力P L与原始截面S0比值)叫下屈服强度,记为R。R= P╱S(N/mm2)。eLeLL0

但大多数金属材料在静拉伸试验时,不产生明显的屈服。这时,可确定一个发生一定残留变形(εp)时的外力与原始截面比值作为规定非比例延伸强度,也叫规定非比例屈服强度。记为R P,见图9-5。如规定非比例延伸率为0.2%,则此时的屈服强度即为R P0.2

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图9-5 规定非比例延伸强度

材料静拉伸试验时屈服强度的测定方法有图解法、指针法,还有用试验机及试样上安装的测量系统来测定的。

屈服强度是机械设计中采用材料的重要指标之一。对于塑性材料,其强度计算一般以屈服强度为标准。

屈服强度还对材料某些使用和工艺性能有影响,例如,不锈钢屈服强度越高,对应力腐蚀就越敏感,对氢脆也越敏感,对冷加工性、成型性和焊接性不利。

材料的成分、组织、状态、温度及加载速度对屈服强度都会产生影响。热处理是改变材料屈服强度的重要手段之一。

2.抗拉强度

抗拉强度是相当于试样拉断前最大负荷时的应力,即试样所能承受的最大拉力P m与试样原始截面S0的比值,R m= P m╱S0

对于塑性材料来说,试样在拉断前为均匀变形,试样各部分的伸长基本是一样的;在试样承受最大拉力后,试样出现缩颈,即试样截面急剧减小,试样能担负的载荷减少。

抗拉强度,即强度极限的物理意义是表征材料最大均匀变形的抗力,表征材料在拉伸条件下所能承受的最大载荷的应力值。是设计和选材的主要依据之一。

抗拉强度的测定相对比较简单。可以用图解法或从设备测力盘上直接读出最大拉力值,再除以试样原始截面S O即可。

材料的抗拉强度与材料的成分、组织、状态、温度等条件有关。热处理也是提高材料抗拉强度的重要手段。

3.延伸率

试样的延伸率,即断后伸长率是试样拉断后标距的残余伸长L u-L0与原始标距L0之比的百分率,记为A。即

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式中: L0为试验前的原始标距(mm); L u为试样拉断后的标距长度(mm)。

伸长率受试样尺寸影响,与试样原始截面的平方根img266及标距L0有关,因此,为了使同种材料不同尺寸的试样得到一样的伸长率,必须取img267为常数。这个常数通常取5.65或11.3,对圆形试样来说,相当于试样标距L0和试样直径d0之比,即img268为5或10。按以上两种比例关系制作的拉伸试样叫比例试样,其他的叫非比例试样。

当L0= 5d0时测得的伸长率记A5,L0= 10d0时测得的伸长率记A10,通常一种材料的A5>A10,所以,不同材料之间比较伸长率时,只能A5与A5之间或A10与A10之间比较。

4.断面收缩率

试样的断面收缩率是试样断裂后,试样横截面积的最大缩减量,S0-S u与原始横截面积(S0)之比的百分率记为Z。即

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式中: S为试样试验前原始截面面积(mm2); S为试样拉断后0u断口处内截面面积(mm2)。

伸长率A和断面收缩率Z都是表征金属发生塑性变形的能力,即表征材料的塑性。

对于许多机械零件来说,一般要求在弹性状态下工作,不允许发生塑性变形。因此,在设计时把开始屈服变形作为屈服失效来考虑。可见,材料的塑性指标也是评价材料优劣的重要条件之一。

目前的力学性能有新旧两种表示方法,都在使用,新旧表示方法的对照见附表七。

在我国标准GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》中,规定了金属拉伸试验方法的原理、试验设备、试样、试验要求、性能测定等具体内容。

标准规定了金属材料不同截面、不同规格、不同尺寸的试样类型。主要有以下内容。

①厚度0.1mm~<3mm的薄板和薄带使用的试样类型。

②厚度不小于3mm的板材和扁材以及直径或厚度不小于4mm的线材、棒材和型材使用的试样类型。

③直径或厚度小于4mm的线材、棒材和型材使用的试样类型。

④管材使用的试样类型。

机械工厂常用的圆形截面和矩形截面拉力试样见图9-6和图9-7,试样尺寸见表9-4~表9-6。

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图9-6 圆截面试样

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图9-7 矩形横截面试样

表9-4 圆形横截面比例试样主要尺寸

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注:试样总长度L t取决于夹持方法,原则上L t>L c+4d。

※为优先采用试样。

表9-5 矩形横截面比例试样主要尺寸

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※为优先采用试样。

表9-6 试样横向尺寸(圆截面: d;矩形截面: b)尺寸公差(mm)

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三、冲击试验

冲击试验是评定金属材料在冲击载荷作用下的性能的方法之一。

冲击试验是用规定高度的摆锤,对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性打击,测量试样折断时的冲击吸收功。根据冲击吸收功功的大小来评定试验材料的韧性。见图9-8。

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图9-8 冲击试验原理示意图

1.摆锤 2.试样

冲击功A K=9.8×G(H1-H2) J

式中: G为摆锤重量(kg); H1为摆锤举起高度(m); H2为摆锤冲断试样后摆动高度(m)。

试验机的试样支座及摆锤刀刃尺寸示意图见图9-9。

冲击试验的缺口形状和尺寸各有不同,在GB/ T 229标准中,规定有2mm深的V形口,2mm深的U形口和5mm深的U形口三种。所测的冲击吸收功分别标示为A kV、AkU2、A kU5。采用AkU2时有时只记Ak

以上三种缺口试样通常称夏氏V形试样和夏氏U形试样。在国外还有

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图9-9冲击试样支座及摆锤刀刃尺寸示意图

(符合GB/T 229标准)

ISO-V形试样、ASTM-V形试样、DVM试样等。这些试样有的与夏氏试样相似,有的有较大差别。试样开口的不同对同一材料测得的冲击功有很大的差异,所以,在检验材料冲击功或评价不同材料的冲击功时,一定要注意试样形式和测试方法。

在摆锤的刀刃尺寸上,GB/T 229标准规定刀刃圆角为2~2.5mm,而美国ASTM-A370标准规定刀刃圆角为8mm。其他国家标准的规定也各有不同,这也是评定材料冲击功时应注意的一个问题。

冲击试验温度一般原则规定室温在10~35℃之间即可,有严格温度要求的试验应在(20±2)℃条件下进行。

冲击试验除在室温条件下进行外,在许多情况下还要测定在高于室温或低于室温条件下的试验值,这时应在冲击前将试样用介质加热或冷却至规定温度,保持一定时间后立即进行冲击试验。

采用冲击试验测定材料的冲击韧性时,评定方法除用测得的冲击吸收功A k表示外,(A k值大表征材料韧性好),还有用测定试样断口的侧向膨胀量L E大小评定,L E(mm)值大,表征材料韧性好,也有用试样断口面的剪切断口百分率评定,剪切断口百分率高,表征材料韧性好。

材料的冶金质量和锻造、铸造、焊接、热处理等各热加工工序的质量都对冲击韧性产生较大的影响。

热处理是调整金属材料冲击韧性的重要手段之一。

在我国标准GB/T 229《金属夏比缺口冲击试验方法》中,规定了金属材料缺口冲击试验的适用范围、试验原理、试验设备、仪器、试样、试验等条件和要求。

该标准规定常见夏比缺口试样的形状、尺寸见图9-10和图9-11。

不锈钢和其他金属材料一样,评定其性能除了硬度、室温拉伸、冲击试验外,还有压缩试验、弯曲试验、扭转试验、高温拉伸试验、断裂韧度试验、磨损试验等。

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图9-10 U形缺口冲击试样(缺口深2mm)

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图9-11 V形缺口冲击试样

 

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