试验方法|力学性能优化

锻造生产的零件主要是结构零件、加工刀具和模具。这些零件在使用过程中，都会受到各种外力的作用。例如，柴油机上的连杆在工作时不仅受拉力、压力的作用，还要承受冲击力的作用等。这些外力对金属材料有很强的破坏性，这就要求锻件必须具有一种抵抗外力作用而不致被破坏的力学性能。

需要作力学性能试验的锻件，一般都是重要锻件。力学性能试验的主要项目有硬度试验、拉伸试验和冲击试验。按照锻件的材料及其所要求的强度级别，检测锻件的硬度、强度、塑性和韧性等指标是否达到技术条件要求。力学性能试验中，除硬度测定可以在锻件上磨出一块试验面进行试验外，其他检查项目均需破坏性地取样。试样一般取在承受载荷最大且质量最差的地方，应冷切取样。轴类锻件一般沿纵向取样，多从靠冒口处截取。饼类锻件沿横向取样，而圆环类锻件沿切向取样。对于一些有特殊要求的重要锻件，还要求进行冷弯、残余应力、蠕变性能和疲劳性能等试验。

1.硬度试验

硬度表征材料坚硬程度，是材料抵抗其他物体压入的能力，也是材料耐磨性的指标之一。硬度试验一般在热处理工段或理化室进行。硬度试验操作简便、迅速，不需要制备专门的试样，也不会破坏零件；根据测得的硬度值，可以估计金属材料的近似强度值，因而硬度试验是生产中最常用的一种力学性能的试验方法。常用的硬度试验方法有三种：布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验。实际锻造生产中，最常用的是布氏硬度试验和洛氏硬度试验。

（1）布氏硬度试验 把一个硬质合金圆球，在一定的载荷下压入金属材料表面（见图2-30a），然后去掉载荷。根据压痕的直径（见图2-30b），查压痕直径对照表即可确定布氏硬度值（用HBW表示）。压痕直径越大，硬度越低。布氏硬度试验一般在布氏硬度试验机上进行。布氏硬度试验是广泛使用的硬度试验方法，一般适用于测量经过退火、正火或调质处理的锻件等。

图2-30 布氏硬度试验示意图

a）布氏硬度试验 b）压痕直径测量示意图

对于大型锻件，在工厂中一般都采用锤击式布氏硬度计来测定布氏硬度。用锤击式布氏硬度计测定布氏硬度时，先估计被测试工件的大致硬度，选择与工件硬度相近的标准试块插入硬度计内，然后使圆球抵住试件的表面，用左手握住握持器使其与被测试面垂直，并用右手持手锤用力敲击锤击杆顶端一次。这样，圆球将在试样面上及标准试块上同时各打上一个压痕。测量两个压痕的直径（见图2-31），根据标准试块的已知布氏硬度值和两个压痕的直径，就可以从特制的对照表里查出试件的布氏硬度值。

（2）洛氏硬度试验 淬火后的高硬度锻件通常不用布氏硬度试验测定硬度，常采用洛氏硬度试验来测定硬度。根据试验时所用压头不同以及加在压头上载荷的不同，可组成15种洛氏硬度，常用的是洛氏硬度HRC。洛氏硬度HRC是用1471N的载荷（预载荷为98.07N，主载荷为1373N）和顶角为120°的金刚石圆锥压头进行试验的。由于在洛氏硬度计上采用C标尺，所以用HRC表示所测得的硬度值。

图2-31 测量压痕直径

2.拉伸试验

拉伸试验是在材料试验机上进行的，用来测试锻件的强度和塑性。

（1）强度 强度是材料在外力作用下抵抗变形和抵抗破坏的能力。材料最主要的强度指标有屈服强度（上屈服强度R_eH和下屈服强度R_eL）和抗拉强度（R_m）。

锻件上拉伸试样的切取应具有代表性，一般都取在锻件承受工作载荷最大或金属材料质量最差的部位上。拉伸试样按一定规格加工（见图2-32a）。通过拉伸试验作出材料的载荷和试样伸长量之间的关系曲线——力—伸长曲线图（见图2-32b），然后进行测定和计算。

1）屈服强度。屈服强度（又叫屈服极限）是指试样受到屈服载荷时所产生的应力。在力—伸长曲线图（见图2-32a）上，屈服强度可由s点（实际上，力—伸长曲线上有上屈服点和下屈服点之分，此处s点指下屈服点）来确定。金属材料在外加载荷增加到s点时开始屈服，这时即使负荷不再增加，试样也继续伸长，产生永久变形。s点的材料强度称为屈服强度（此处为下屈服强度R_eL）。

屈服强度的计算公式如下：

式中 R_eL——下屈服强度（N/mm²）；

F_s——屈服载荷（N）；

S——试样截面积（mm²）。

图2-32 力—伸长曲线和拉伸试样

a）拉伸试样 b）低碳钢的力—伸长曲线图

由于不少金属材料在拉伸试验时，没有明显的屈服现象（即没有明显的屈服点），可是，金属材料的屈服强度又是零件设计的一个重要依据，必须进行测定。因此，规定试样产生相对塑性变形量为0.2%时，对应的载荷F_0.2所产生的应力，作为屈服强度，并用R_p0.2表示。

屈服强度表示金属材料在外力作用下抗塑性变形的能力。屈服强度越大，表示该金属材料抵抗塑性变形的能力越强，使用时越不容易变形。(www.xing528.com)

2）抗拉强度。抗拉强度（又叫强度极限）是指试样受到最大拉力时所产生的应力。抗拉强度是用来表示金属材料在破坏前可以承受的最大应力。在力—伸长曲线上，抗拉强度可由最高点b点来确定。计算公式如下：

式中 R_m——抗拉强度（N/mm²）；

F_b——试样承受的最大载荷（N）；

S——试样截面积（mm²）。

R_m越大，表示该金属材料在外力作用下抵抗破裂的能力越强，使用时越不容易破坏。

钢的强度与其碳含量有密切的关系，随着钢的碳含量的不断增加，其强度也将不断提高。

（2）塑性 材料能够塑性变形而不破裂的能力称为塑性。材料的塑性可以用断后伸长率（A）和断面收缩率（Z）来衡量。试样在拉力作用下会产生塑性变形，使长度增加，断面面积缩小，最后试样被拉断。A和Z值越大，表示材料的塑性越大；A和Z值越小，说明金属材料的塑性越差，即脆性越大。材料的塑性指标可以由拉伸试样断裂后的状况来确定。

1）断后伸长率。所谓断后伸长率是指试样受力拉断后，它的伸长量与原来长度之比，通常用百分数表示。

式中 A——伸长率（%）；

l₁——试样断裂后的长度（mm）；

l₀——试样原来的长度（mm）。

2）断面收缩率。试样的断面收缩和试样的长度增加是同时产生的。断面收缩率是指试样横截面面积的收缩量与试样原横截面面积之比，用百分数表示。

式中 Z——断面收缩率（%）；

S₁——试样断裂后的横截面积（mm²）；

S₀——试样原来的横截面积（mm²）。

钢的塑性与碳含量也有一定的关系，碳含量增加，塑性降低。

钢的强度和塑性除了与碳含量有关外，还与温度有关。一般来说，温度越高，强度越低，塑性越好。因此，钢材在锻造时都要进行加热，以利于钢材的塑性变形。

3.冲击试验

金属材料抗冲击载荷而不致被破坏的性能，称为韧性。许多机械零件，如锤杆和锤头、冲模和锻模等，都在冲击载荷下工作，使用的材料用静载荷下的拉伸性能指标衡量就不够了，应进行冲击试验，加上韧性指标。冲击试验示意图见图2-33。

图2-33 冲击试验示意图

金属材料冲击韧性的大小是以冲断试样时，在试样单位面积上所消耗的最大冲击吸收功来表示。冲击吸收功用A_KV（V形缺口）和A_KU（U形缺口）表示，单位为J。

试验时把标准试样放在试验机机架对称的两点中间，使试样的缺口背向摆锤的冲击方向，然后把摆锤抬到一定高度H，摆锤从高处落下，将试样击断，并自由回升到高度h，根据摆锤的重量和冲击前后的高度差，可以计算出冲击试样消耗的功，即冲击吸收功。冲击吸收功一般在刻度盘上直接读出。