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分享:沖擊試驗機刀刃斷裂原因及控制方法

摘 要:沖擊試驗是在高速沖擊載荷下完成的,試樣和沖擊刀刃都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很高的內應力。 試樣一般會(huì )有預開(kāi)缺口,沖擊能量一部分沿著(zhù)缺口方向被試樣吸收,還有一部分被沖擊刀刃吸收。 當沖擊刀刃吸收的能量超過(guò)彈性變形時(shí),刀刃會(huì )出現塑形變形,甚至斷裂。通過(guò)對沖擊試樣、沖擊 刀刃、沖擊試驗機的選擇以及試驗過(guò)程等方面進(jìn)行研究,查明了沖擊刀刃斷裂的原因,并提出了合 適的控制方法。

關(guān)鍵詞:沖擊刀刃;沖擊試驗機;內應力;斷裂

中圖分類(lèi)號:TB30;TG115.5+6 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)03-0008-03


沖擊性能是指材料抵抗沖擊載荷的能力,在材 料力學(xué)性能的研究中具有重要意義。沖擊試驗機是 用來(lái)測試材料沖擊韌性的設備,由機座、機架、擺錘、 沖擊刀刃、操作機構和讀數裝置等6個(gè)部分組成,根 據需要還可增加一些輔助設備,如高低溫裝置、試樣 自動(dòng)對中裝置等。目前,許多機械結構的設計都向 著(zhù)輕量化方向發(fā)展,這就要求材料具有較高的強度 和硬度,以及良好的塑形和韌性,該類(lèi)型的材料進(jìn)行 沖擊試驗時(shí),會(huì )對沖擊試驗機造成一定的損壞,尤其 會(huì )使沖擊刀刃的使用壽命大大縮短,甚至出現沖擊 刀刃斷裂的現象,典型斷裂沖擊刀刃的宏觀(guān)形貌如 圖1所示。筆者對沖擊試樣、沖擊刀刃、沖擊試驗機 的選擇以及試驗過(guò)程等方面進(jìn)行了研究,查明了沖 擊刀刃斷裂的原因,提出了合適的控制方法,以避免 該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 沖擊試樣的選擇

1.1 試樣尺寸

按照GB/T229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求,對沖擊試樣進(jìn)行加工,沖擊試 樣的尺寸如圖2所示。標準中規定了2.5,5,7.5, 10mm的4種不同厚度的沖擊試樣[1],隨著(zhù)厚度的 增加,試樣的沖擊吸收能量不斷變大。一般試樣都 有加工缺口,當缺口底部過(guò)渡圓弧的半徑過(guò)大、開(kāi)口 角度偏大、缺口深度較小時(shí),會(huì )引起試樣的沖擊吸收 能量明顯變大,導致試樣的沖擊韌性提高,進(jìn)而對沖 擊刀刃造成損壞。

1.2 試樣缺口形式

一般規定了 V形、U 形和無(wú)缺口等3種缺口形 式的沖擊試樣。沖擊試樣的缺口形式對沖擊韌性的 測試結果影響非常大,夏比V形缺口比夏比U形缺 口底部過(guò)渡圓弧半徑更為尖銳,更能反映材料缺口 和內部缺陷對動(dòng)態(tài)載荷的敏感性。對于 U 形缺口 試樣,進(jìn)行沖擊試驗時(shí),其沖擊吸收能量大部分消耗 于裂紋的形成階段,而對于 V 形缺口試樣,其沖擊 吸收能量大部分消耗于裂紋的擴展階段,無(wú)缺口試 樣試驗時(shí)無(wú)法造成應力集中,所獲得的沖擊吸收能 量要遠大于有缺口試樣[2]。因此在試驗前要認真選 擇試樣的缺口形式,以避免試驗時(shí)沖擊吸收能量過(guò) 大造成刀刃的損壞。

1.3 試樣缺口檢驗

在進(jìn)行 V 形、U 形缺口試樣的沖擊試驗時(shí),要 求 V形缺口試樣缺口的深度為2mm,呈45°角,缺 口底部過(guò)渡圓弧半徑為(0.25±0.025)mm;U 形缺 口試樣缺口的深度為2mm 或5mm,缺口底部過(guò) 渡圓弧半徑為(1±0.07)mm。試樣缺口的加工質(zhì) 量不合格會(huì )導致沖擊試驗的結果不可信,并引起試 驗結果的陡跳。缺口加工質(zhì)量檢驗是保證試樣缺口 尺寸合格的重要質(zhì)量控制手段。在進(jìn)行沖擊試驗之 前,需要對缺口進(jìn)行加工質(zhì)量檢驗,以避免試驗期間 發(fā)生沖擊吸收能量的陡跳,損壞刀刃。

2 沖擊刀刃的選擇

2.1 加工沖擊刀刃的材料

加工室溫沖擊刀刃的材料應具有高的硬度、強 度,良好的耐磨性、淬透性、淬硬性、組織性能均勻性等,以及足夠的韌性。冷作模具鋼一般屬于高碳合 金鋼,其碳元素質(zhì)量分數大于0.80%,最高可達 2.0%~2.3%,鉻元素是這類(lèi)材料的重要合金元素, 其質(zhì)量分數通常不大于5%,為了提高材料的耐磨 性和淬火后變形小的特性,鉻元素的質(zhì)量分數最高 可達13%。冷作模具鋼中形成了大量的碳化物,其 組織大部分屬于過(guò)共析鋼或萊氏體鋼,因此冷作磨 具鋼是加工室溫沖擊刀刃材料的首選。

加工高溫沖擊刀刃的材料應具有較高的高溫強 度,良好的熱疲勞穩定性、導熱性、耐腐蝕性、淬透性 等。熱作模具鋼屬于中碳合金鋼,碳元素的質(zhì)量分 數為0.30%~0.60%,屬于亞共析鋼,鋼中因加入了 較多的合金元素(如鎢、鉬、釩元素等)而成為共析或 過(guò)共析鋼,因此熱作磨具鋼是加工高溫沖擊刀刃材 料的首選。

2.2 沖擊刀刃的設計及加工

沖擊刀刃在結構設計時(shí)應該避免出現尖角、棱角 等造成應力集中的受力點(diǎn),以防止在高速動(dòng)態(tài)載荷下 損壞刀刃,典型的沖擊刀刃設計結構如圖3所示。

在進(jìn)行機加工前,需要對加工材料進(jìn)行全面的 無(wú)損檢測,以防止產(chǎn)生細小裂紋等缺陷。缺陷會(huì )在 多次試驗過(guò)程中成為疲勞裂紋源,縮短刀刃的使用 壽命。沖擊刀刃的機加工過(guò)程為:粗加工階段切除 加工表面上的絕大部分余量,在毛胚上加工出接近 沖擊刀刃的尺寸和形狀;半徑加工階段為精加工做 鋪墊,在粗加工后的刀刃上去除留下的誤差和缺陷, 獲得較好的精度,并完成一些非主要位置的加工;精 加工階段切除加工表面上的微量材料,控制加工表 面的加工質(zhì)量。該過(guò)程即保證了沖擊刀刃的加工精 度,又避免了因加工缺陷而引起的沖擊刀刃斷裂 問(wèn)題。

2.3 沖擊刀刃半徑的選擇

沖擊刀刃半徑有8mm 和2mm 兩種,一般情 況下采用8mm擺錘刀刃半徑測得的沖擊吸收能量 要高于采用2mm 擺錘刀刃半徑測得的,兩種沖擊刀刃半徑測得的側膨脹值、剪切斷面率以及韌脆轉 變溫度也都有所不同。因此在進(jìn)行沖擊試驗前要選 擇合適的刀刃半徑,以防止因刀刃半徑選擇不當而 對刀刃造成損壞[3]。

3 沖擊試驗機的選擇

3.1 試驗方法

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗機是將試樣水平放置且不固定 試樣兩端。該試驗機釋放擺錘后,從中間對試樣施 加沖擊彎曲負荷并使試樣破裂。該試驗機可用于生 產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制,也可用于比較不同材料的沖 擊韌性[4]。

懸臂梁沖擊試驗機是將試樣垂直放置且?jiàn)A住一 端,另一端接受擺錘釋放的能量,試樣因受到打擊而 產(chǎn)生破壞。該試驗機可測定材料被擺錘沖擊時(shí)的抗 沖擊性能,可用于快速確定材料是否符合所需沖擊 強度的要求,也可用于比較材料的沖擊韌性。

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗機和懸臂梁沖擊試驗機對試樣 的作用力不同[5],試驗前要根據試驗方法選擇合適 的試驗機,避免因方法選擇不當而對沖擊刀刃造成 損壞。

3.2 試驗機量程

試驗前要對試樣的沖擊性能有一定的了解,選 擇合適量程的沖擊試驗機[6],一般要求試樣的沖擊 吸收能量不超過(guò)試驗機量程的80%,以避免對沖擊 刀刃造成損壞。當無(wú)法估計試樣的沖擊吸收能量 時(shí),要選擇大量程試驗機,或先將試樣加工得較薄一 些,完成初步的沖擊試驗。

4 試驗過(guò)程

4.1 試樣放置

試樣缺口面應該與砧座面緊密貼合,沖擊刀刃 沿著(zhù)缺口對面向缺口背面打擊,試樣缺口對稱(chēng)面偏 離兩砧座間的中點(diǎn)距離應不大于0.5mm,否則擺錘 高速打擊試樣時(shí)會(huì )產(chǎn)生緩沖,造成沖擊試驗結果失 真,試樣與砧座距離和沖擊吸收能量的關(guān)系如表1 所示。

試樣缺口中心需與沖擊刀刃中心重合,否則缺 口處裂紋的形成及擴展會(huì )變得困難,造成沖擊試驗 結果失真[7],試樣缺口中心偏離距離和沖擊吸收能 量的關(guān)系如表2所示。

以上兩種情況都會(huì )造成沖擊試驗的測試值大于真 實(shí)值,較大的測試值會(huì )對沖擊刀刃造成較大的危害,甚至造成刀刃斷裂。因此在手動(dòng)放置試樣時(shí)要對中放好 試樣,在自動(dòng)送樣時(shí)要經(jīng)常檢查自動(dòng)對中裝置的有效 性,以避免沖擊刀刃在試驗過(guò)程中發(fā)生斷裂[8]。

4.2 刀刃固定

沖擊刀刃是由固定螺栓和擺錘連接在一起的, 快速載荷的沖擊會(huì )對緊固螺栓施加一定的力,并造 成螺栓松動(dòng),沖擊刀刃受力不均勻,導致發(fā)生斷裂。 因此進(jìn)行沖擊試驗前,要對沖擊刀刃的緊固性進(jìn)行 檢查,以避免螺栓出現松動(dòng)。

5 結論

(1)試樣缺口的形式、高度、寬度和加工精度等 對試樣的沖擊吸收能量影響很大,在進(jìn)行試驗前要 嚴格控制試樣的質(zhì)量,以防止因試樣不合格而對沖 擊刀刃造成損壞。

(2)沖擊刀刃合適的材料、合理的受力設計、多 道次的精密加工是決定刀刃使用壽命的關(guān)鍵因素。

(3)根據試驗方法和試樣沖擊性能合理選擇試 驗機,不合適的試驗機類(lèi)型、量程都會(huì )對沖擊刀刃造 成損壞。

(4)試驗過(guò)程中要特別注意試樣對中、刀刃緊 固等問(wèn)題,以避免沖擊刀刃發(fā)生斷裂。


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