力学性能检测探究

7.6.3.1 拉伸试验

拉伸试验测定灰铸铁抗拉强度R_m，按式7-87进行计算

式中 R_m——抗拉强度（N/mm²）；

F——最大拉伸载荷（N）；

A——试验前，试样平行段的最小横断面积（mm²）。

拉伸试样用毛坯为圆柱形（d=30⁺² 0mm）单铸试棒或附铸试棒。单铸试棒用与铸件同一批铁水浇铸。单铸试棒在干砂型或具有相仿导热性能的砂型中立浇。如供需双方有协议时，也可用湿型。同一铸型内可同时浇铸若干根试棒，各试棒之间的距离不小于50mm（见图7-109）。试棒的长度L根据拉伸试样形状和尺寸确定。

灰铸铁标准拉伸试样形状和尺寸如图7-110、图7-111和表7-71。

图7-109 拉伸试验单铸试棒

图7-110 A型灰铸铁标准拉伸试样

图7-111 B型灰铸铁标准拉伸试样

表7-71 灰铸铁标准拉伸试样尺寸

检查灰铸铁牌号时，用图7-109所示的单铸试棒，加工成图7-110或图7-111所示的拉伸试样进行试验。如供需双方有协议时，可用辅助拉伸试样。

拉伸试样平行段直径的最低测量精度为0.05mm。

拉伸试验速度规定为应力增加速度小于或等于30MPa/s。仲裁试验时，应力增加速度不超过10MPa/s。

灰铸铁拉伸试验可在任何形式的试验机上进行。测力示值误差不大于±1%。拉伸试验机的夹具应保证试样轴线对正中心，使载荷作用在试样轴线上。

试验时的环境温度为20℃±10℃。当温度超出规定范围时，应在试验报告中注明。

抗拉强度测定值应保留三位有效数字。其数字修约按有关规定进行。

试验报告内容应包括：

①试样号。

②试棒毛坯的类型，如单铸或附铸，干型或湿型。

③抗拉强度。

④断口情况，如夹渣、缩孔、气孔、断口位置。

⑤辅助试样应注明试样直径和取样部位。7.6.3.2 弯曲试验

灰铸铁弯曲试验是使试样承受横向集中载荷，如图7-112所示，测定抗弯强度和挠度。抗弯强度σ_bb按式（7-88）计算

式中 σ_bb——抗弯强度（N/mm²）；

d——试样直径（mm）；

l——支点间距离（mm）；

K——抗弯系数（见表7-72）；

F——试样断裂载荷（N）。

图7-112 灰铸铁弯曲试验

表7-72 灰铸铁弯曲试验抗弯系数

挠度f是试样受载处，从承受初载荷增至最大载荷（试样断裂）为止的位移量。

试验条件和测量精度见表7-73。

表7-73 灰铸铁弯曲试验测量精度

弯曲试样用干型立浇顶注或底注铸造。如供需双方有协议时，可用湿型。

标准弯曲试样的直径d=30mm、长为340mm，不经机械加工的单铸试棒。如供需双方有协议时，可用其他尺寸辅助的灰铸铁弯曲试样。

不加工的试样表面应光洁、平直，不允许有肉眼可见缺陷；加工试样的表面粗糙度R_a值为3.2μm，表面不得有划痕。

试样同一横断面面上的最大直径与最小直径的偏差不应大于最小直径的3%。

试验机测力示值误差不大于±1%。

挠度可用任何型式的挠度计测定。

试验装置的支承滚柱和压头的半径R、试样直径d的大小规定如下：

d≤20mm，R＜15mm；

d＞20mm，R=15～25mm。

计算直径的测量方法：试验前，在试样中段20mm范围内，或断裂后在断面上测量互相垂直的两个方向的直径尺寸，取其算术平均值为计算直径。

弯曲试验时，试样放置在支承滚柱的中部，滚柱轴线与试样中心线应保持互相垂直。

关于试验速度：当试样直径d达到30mm时，从试样承受初载荷到断裂的时间t应该＞30s。

试验应在20℃±10℃温度下进行，如超过这一温度范围时，应在试验报告中注明。

抗弯强度数值应保留三位有效数字。

试验报告内容包括：

①试样号。

②抗弯强度σ_bb。

③挠度f。

④断口情况，如夹渣、缩孔、气孔、断口位置等。

⑤辅助的灰铸铁弯曲试样应注明直径尺寸和取样部位。

7.6.3.3 压缩试验

灰铸铁压缩试验测定抗压强度R_mc，按式（7-89）计算

式中 R_mc——抗压强度（N/mm²）；

F——压缩断裂载荷（N）；

A——试验前，试样横断面面积（mm²）。

灰铸铁试样的塑性，以压缩时的相对压缩率ε_c表示，按式（7-90）计算

式中 h₀——试验前试样高度（mm）；

h_k——试验后试样高度（mm）。

压缩试样取直径D=30mm的单铸试棒毛坯。一般将毛坯加工成直径d=6～25mm，高等于直径的试样。对于壁厚大于30mm的铸件，取样部位和试样尺寸由供需双方协议规定。

规定压缩试样圆柱面表面粗糙度R_a值为3.2μm，两端面表面粗糙度R_a值为0.80μm，两端面平行度为0.02mm，圆柱面与两端面互相垂直。直径和高度的尺寸偏差±0.1mm。

试样尺寸测量精度0.01mm。

压缩速度为应力增加速度10～20MPa/s。当测力指针出现反转时，表示试样开始压裂，此时停止试验，记录压缩载荷。

试验时，可在试样两端面涂以润滑油脂，并在试样周围加防护装置。

试验应在20℃±10℃温度下进行。如超过这温度范围时，应在试验报告中注明。

测定性能数字应保留三位有效数字。

试验报告内容包括：

①试样号。

②抗压强度。

③压缩率。

④断口情况。

7.6.3.4 铸件的硬度检测方法

硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力，也就是检测金属抵抗塑性变形的能力。硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。铸造厂应采取必要的控制和检验技术，以保证铸件符合所规定的硬度范围.

金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种试验方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。

布氏硬度应在铸件表面已经去除足够厚度的材料后测试，以保证硬度读数的代表性。除另有协议外，应采用直径10mm钢球和3000kg负荷。在铸件上检测硬度的面积及其位置应由供需双方商定，并在图纸上标出。

铸件的硬度检测首选布氏硬度计，特别是晶粒比较粗大的灰口铁铸件，只能采用布氏硬度计，并且要尽量选用3000kg力，10mm球的试验条件，当铸件尺寸较小时，也可选用洛氏硬度计，原因在于铸铁件通常组织不均匀，晶粒较大，含有的碳、硅和其他杂质也比钢材多，在不同的微小区域内或不同的点上硬度的大小会有所不同。而布氏硬度计的压头尺寸较大，压痕面积较大，可以测出某一范围内材料硬度的平均值，因此使用布氏硬度计测试精度较高，硬度值的分散性较小，测得的硬度值更能代表工件硬度的真实状况。所以布氏硬度计在铸造行业被广泛应用。各种金属硬度计就是根据上述试验方法设计的。下面分别介绍基于各种试验方法的硬度计的原理、特点与应用。

1.布氏硬度计（GB/T231.1—2009）

布氏硬度试验原理如图7-113。

对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。

式中 F——试验力（N）；

S——压痕表面积（mm）；

D——球压头直径（mm）；

h——压痕深度（mm）；

d——压痕直径（mm）。

（1）布氏硬度计的特点 布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。

布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。

图7-113 布氏硬度试验原理

图7-114 布氏硬度计外形

（2）布氏硬度计的应用 布氏硬度计外形如图7-114，主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。

（3）布氏硬度试验条件 布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。

规则一：布氏硬度压痕相似原理，既要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数，如图7-115所示。

这个规则来源于相似律。根据相似律，在图7-115中不同直径的球压头D₁、D₂在不同的试验力作用下压入试样表面，压痕直径d₁、d₂是不同的，但是只要压入角1、2相同，压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D₂，在采用牛顿力的新标准中表示为0.102F/D₂。

规则二：试验后要使压痕直径处于以下范围。

0.24D＜d＜0.6D

图7-115 布氏硬度压痕相似原理

否则试验结果是无效的，应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压头直径在0.24～0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。布氏硬度试验可选择的压头直径为ϕ10mm、ϕ5mm、ϕ2.5mm、ϕ1mm共4种。布氏硬度试验可选择的0.102F/D₂值为30、15、10、5、2.5、1共6种。

标准GB/T231.1—2009中规定的试验条件见表7-74。

表7-74 布氏硬度试验条件

标准GB/T231.1—2009中规定试验力-压头直径平方之比（0.102F/D₂）应按材料的种类和硬度范围来选择，如表7-75所示

标准GB/T231.1—2009中规定，对于钢只有一种选择，就是0.102F/D₂=30，对于其他材料，根据其不同的硬度范围，有2～3种0.102F/D₂值可供选择。

（4）布氏硬度试验条件的选择过程 根据材料种类和硬度范围，按表7-75选择0.102F/D₂值，一般较硬的材料选择较高的0.102F/D₂值，较软的材料选择较低的0.102F/D₂值，钢铁材料只选择0.102F/D₂=30一个值。

根据试样的厚度和大小选择压头直径D和试验力F，对于较厚、较大的试样，应尽量选用ϕ10mm的压头和相应的试验力，因为这样最能体现布氏硬度计的特点。对于较薄、较小的试样，应选用较小的压头和较小的试验力。以保证满足布氏硬度试验关于“试样厚度应大于压痕深度的8倍”的要求。

表7-75 试验力-压头直径平方之比的选择

注：（1）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5mm、5mm和10mm。

完成上述选择之后应进行初步试验，确定压痕直径是否满足0.24D＜d＜0.6D。如果满足这一要求，就可进行正式测试，并查表得到布氏硬度值。如果不满足这一要求，当压痕直径小于0.24D时，说明压痕过小，应重新选择大一些的试验力。当压痕直径大于0.6D时，说明压痕过大，应重新选择小一些的试验力。

（5）布氏硬度与抗拉强度的关系 硬度试验和拉伸试验基本上都是检测金属抵抗塑性变形的能力。抗拉强度是铸件第一位的力学性能指标，几乎所有的铸造件标准中都有关于抗拉强度的要求。而铸件的布氏硬度值和抗拉强度值具有非常密切的关系，两种试验在某种程度上是检测金属相似的特性。二者的试验结果是完全可以相互比较的，对于多数金属材料，硬度值和抗拉强度值是可以通过查表相互换算的。

灰铸铁的抗拉强度可以由以下公式计算：

R_m=1.82（HB）1.85

二者关系也可以通过查表得到。通过测试布氏硬度值可以快速、方便地得到工件的抗拉强度值，从而提高检测效率、降低试验成本。通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的抗拉强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。

部分金属材料的换算关系见表7-76。

表7-76 金属材料布氏硬度值和抗拉强度值换算关系表

锤击布氏硬度计如图7-116所示。仪器由支架、条形硬度块、钢球和读数显微镜组成。

图7-116 锤击布氏硬度计

便携布氏硬度计是可以在现场使用的仪器。仪器操作简单，携带方便，可直接测试大中型铸件本体，而不必取样，可测试那些大型的、组装的、不可切割或不便移动的铸件。仪器可在车间使用，测试铸锻件毛坯、成品钢材及经调质热处理后的半成品工件，仪器也可以在仓库使用，用于选购钢材或对购入的钢材、铸锻件毛坯做入厂检验，仪器还可以携带到另外一个工厂使用，用于对外委加工的铸件做验收检验。

便携布氏硬度计采用真实的布氏硬度试验原理，与台式机相同，试验结果真实、可靠，仪器测试后留下的永久压痕可以在任何时间重复检验。

仪器依靠锤击方式施加试验力，钢球在锤击力的作用下，瞬间压入试样，在铸件表面留下压痕，测出压痕直径，查表，就可得到布氏硬度值。

锤击式便携布氏硬度计操作简单，使用方便，测试速度快，仪器采用冲击方式施加试验力，其精度不如其他便携布氏硬度计。仪器采用布氏硬度试验原理，对试样表面要求不高，影响测试精度的因素较少，测试结果比较稳定，比同样是冲击方式的里氏硬度计要可靠。锤击式便携布氏硬度计要使用一种消耗品（条形硬度块或剪销），每次试验都要有几毛钱的成本，仪器主要用于测试大型铸锻件。

测试时用锤子敲击支架顶部，钢球会同时压入铸件和硬度块中，在铸件和硬度块上留下压痕，两个压痕有一定的比例关系，分别测出两个压痕直径，查表，就可得到铸件的布氏硬度值。仪器结构简单，携带方便，价格便宜，但是因试验力不固定，误差偏大，一般为8%。

2.洛氏硬度计

洛氏硬度计也常用于铸铁的硬度试验。凡是晶粒较细的工件，如果没有足够的面积作布氏硬度试验，也可以进行洛氏硬度试验，对于珠光体可锻铸铁、冷硬铸铁和铸钢件，可以采用HRB或HRC标尺，如果材质不均匀，应测出几个读数，取其平均值。

洛氏硬度计测试快速、方便、压痕小，可以直接测试成品工件，适于对成批生产的成品或半成品工件的逐件检测。

3.肖氏硬度计

在个别情况下，一些形体较大的铸造件，不允许切割试样，也不能另外铸造用于硬度测试的试验块，这时硬度检测会遇到困难。对于这种情况，以前常用的办法是，在铸件进行精加工之后在光洁的表面上用便携式的肖氏硬度计测试硬度。例如冶金行业广泛应用的轧辊标准中就规定要使用肖氏硬度计测试硬度。

肖氏硬度计由于采用了动态硬度检测原理，影响硬度测试结果的因素较多，测试精度远低于采用静态的压痕硬度测试原理的布氏硬度计和洛氏硬度计。由于这个原因，在轧辊标准中还推荐采用一种硬度对比辊，硬度对比辊起到一个标样的作用，其硬度值是依靠切割试样的办法得到精确测试的。使用肖氏硬度计测试轧辊之后，要在对比辊上核对肖氏硬度计的检测精度。

4.里氏硬度计

目前，在铸造件硬度检测上里氏硬度计被广泛使用。里氏硬度计是对肖氏硬度计的改进。它也是采用动态硬度测试原理，利用计算机技术实现了硬度计的小型化，电子化，使用简单方便，测试结果可方便地换算成布氏硬度值，因而得到广泛欢迎。

但是，同肖氏硬度计一样，里氏硬度计的精度也不高，影响测试精度的因素较多，要求工件表面具有较高的光洁度，并且缺乏权威的硬度换算表，硬度换算也会带来较大误差。因此里氏硬度计的测量结果常常被人们作为参考值使用，里氏硬度计主要用于对工件硬度要求范围较宽的场合。另外，里氏硬度计作为非正规的硬度检测方法，在国际标准化组织中没有得到广泛认可，在国外铸造件的产品标准中也没有被采用。在国际贸易中，里氏硬度计的测量结果不会被多数外商接受。

许多铸造件都是中大型工件、有些重达几百吨，无法搬到台式的硬度计上测试，铸件的精确硬度测试主要采用单独铸造的试验棒或铸件上附带的试验块。然而，无论是试验棒还是试验块都无法完全代替工件本身，即使是同一炉铁水，铸造工艺和热处理条件也相同，因为尺寸大小的巨大差异，会造成二者加热速度，特别是冷却速度不同，很难让二者具有完全相同的硬度，由于这个原因许多客户更关心和相信工件本身硬度，这样就要求有一种便携式的精确硬度计来测试铸件硬度。