CN109632428A - 一种金属材料裂解性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属材料裂解性能评价方法，该方法包括：一、将金属材料加工成尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样，然后在加工的冲击试样的一个10mm×55mm面上加工深为0.5mm，宽为0.3mm～0.5mm的方形槽；二、采用冲击试验机对加工出方形槽的冲击试样进行冲击试验，得到冲击试样的冲击功Ak；三、计算冲击试样的冲击韧度αk；四、观察冲击试样断裂后断口的形貌，并测量断口断面的表面积，综合评价金属材料的裂解性能。本发明的方法不需要加工复杂的试样，不需要使用高端设备，简单易行，成本低，工时低，能够有效的提高效率，为材料裂解技术提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种金属材料裂解性能评价方法。
背景技术
发动机连杆裂解加工技术由于加工工序少、节约精加工设备、节材节能、生产成本低，具有传统连杆加工方法无可比拟的优越性，成为连杆生产的新技术。连杆裂解工艺与传统加工工艺的区别主要体现在断裂面呈现犬牙交错的自然断裂表面，所以通过对胀断连杆用非调质钢裂解加工技术的深入研究，稳定材料性能，提高连杆成品率对工作意义重大。这不仅对提高企业生产效率、降低生产成本大有裨益，更对企业履行国家节能减排的政策方针，实现其社会价值有着更深的意义。然而，由于裂解所需机器庞大，结构复杂，在实际工作中，并不方便于评价材料的裂解性能。
目前国内有文献报道，将坯料加工成65mm×22mm×65mm的试样，在65mm×65mm的面上加工一个Φ43mm的通孔，然后在通孔两侧加工V型槽，通过万能试验机施加压力导致断裂，然后采集数据评价裂解性能。这种评价方法虽然能一定程度上模拟裂解过程，分析裂解性能，但是材料加工复杂，设备需求高，在实验室条件下成本较高，分析并不方便。故需要更加简单易行的评价方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种金属材料裂解性能评价方法。该方法不需要加工复杂的试样，不需要使用高端设备，简单易行，成本低，工时低，能够有效的提高效率，为材料裂解技术提供理论支撑。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将金属材料加工成尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样，然后在加工的冲击试样的一个10mm×55mm面上加工深为0.5mm，宽为0.3mm～0.5mm的方形槽；
步骤二、采用冲击试验机对步骤一中加工出方形槽的冲击试样进行冲击试验，得到冲击试样的冲击功Ak，单位为J；
步骤三、按照公式αk＝Ak/F计算冲击试样的冲击韧度αk，单位为J/cm2，其中F为冲击试样断裂后断口的横截面面积，单位为cm2；
步骤四、观察冲击试样断裂后断口的形貌，并测量断口断面的表面积，综合评价金属材料的裂解性能。
上述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤三中所述横截面面积为冲击试样断裂后断口的宽度乘以断口的高度。
上述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤三中冲击韧度αk值越大表示金属材料越不容易裂解。
上述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤四中采用扫描电镜观察断口的形貌。
上述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，断口宏观平齐，微观上参差有序说明材料脆性好，没有发生塑性变形，有利于材料的裂解；扫描电镜下的断口发生沿晶断裂，说明材料脆性好，发生解理断裂或者准解理断裂说明材料发生了塑性变形，断口上出现剪切唇区和/或纤维区说明材料发生了塑性变形，在裂解过程中容易出现毛边和毛刺缺陷。
上述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤四中所述断口断面的表面积是指所述断面上所有面的面积之和(由于冲击试样断裂后断口表面参差不齐，会产生许多新生的表面，因此断口断面的表面积是指这些新生表面的面积之和)。
上述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤四中符合裂解性能要求的冲击试样的断口断面表面积为105mm2～120mm2。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将金属材料加工成尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样，在加工的冲击试样的一个10mm×55mm面上加工深为0.5mm，宽为0.3mm～0.5mm的方形槽，模拟实际胀断过程中的裂解槽，然后通过冲击功、断口形貌、断面大小以及断口断面表面积来评价裂解性能，方法简单易行，成本低，工时低，能够有效的提高效率，为材料裂解技术提供理论支撑。
2、本发明的方法不需要加工复杂的试样，不需要使用高端设备，只需要在冲击试验机上进行试验，通过分析冲击功、断口形貌和断面大小来多方面评价材料的裂解性能，弥补现有评价方法的不足。
3、本发明的方法适用范围广泛，适用于各种金属材料的裂解性能评价，如锻钢、铁基粉末金属、铜合金、铝合金、钛合金等。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为方形槽在冲击试样上的加工位置示意图。
图2为本发明实施例1的三个锻钢46MnVS5冲击试样冲击试验后断口的低倍扫描电镜图。
图3为本发明实施例1的三个锻钢46MnVS5冲击试样冲击试验后断口的高倍扫描电镜图。
图4为采用本发明实施例1的c试样对应的锻钢46MnVS5材料制作的胀断连杆的胀断断口照片。
图5为本发明实施例2的两个镁合金ZK60冲击试样冲击试验后断口的低倍扫描电镜图。
图6为本发明实施例2的两个镁合金ZK60冲击试样冲击试验后断口的高倍扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
采用本发明的方法对锻钢46MnVS5的裂解性能进行评价，具体包括：
步骤一、将三个锻钢46MnVS5材料均加工成尺寸10mm×10mm×55mm的冲击试样(三个冲击试样分别记为a、b、c)，如图1所示，在每个加工的冲击试样的一个10mm×55mm面上加工深为0.5mm，宽为0.3mm～0.5mm的方形槽，本实施例的方形槽宽度为0.3mm；
步骤二、采用冲击试验机对步骤一中加工出方形槽的冲击试样进行冲击试验，试样断裂，得到冲击试样的冲击功Ak，单位为J；
步骤三、按照公式αk＝Ak/F计算冲击试样的冲击韧度αk，单位为J/cm2，其中F为冲击试样断裂后断口的横截面面积，a、b和c三个冲击试样的断口的横截面面积分别为0.901cm2、0.899cm2和0.896cm2；
步骤四、用扫描电镜观察断口的形貌(见图2和图3)，并测量断口断面的表面积(由于裂解后表面参差不齐，会产生许多新生的表面，这些新生表面的面积之和为断后断面表面积)，综合评价金属材料的裂解性能。
表1本实施例的锻钢46MnVS5的冲击功、冲击韧度及断口断面表面积
| 样品编号 | a | b | c |
| 冲击功A<sub>k</sub>/J | 26.3 | 46.5 | 2.6 |
| 断口横截面面积/cm<sup>2</sup> | 0.901 | 0.899 | 0.896 |
| 冲击韧度α<sub>k</sub>/J·(cm<sup>2</sup>)<sup>-1</sup> | 29.2 | 51.7 | 2.9 |
| 断口断面表面积/mm<sup>2</sup> | 137 | 143 | 109 |
从表1中冲击韧度数值来看，c试样的2.9J/cm2远远小于a试样的29.2J/cm2和b试样的51.7J/cm2，因此c试样的脆性是最好的。从断口断面表面积来看，c试样的109mm2是在理想范围内，而a试样的137mm2和b试样的143mm2高于理想范围上限17mm2和23mm2。由于连杆裂解时需要材料具有良好的脆性，所以c试样比a试样和b试样更适合于裂解。
从图2可以看出，a试样和b试样表面宏观上并不平整，这些不平整的表面说明a试样和b试样发生了一些塑性变形。a试样和b试样都有着剪切唇区和纤维区，这些区域内往往塑性变形都比较大，容易发生塑性断裂，不利于材料的裂解。从图3微观结构上可以看出，a试样和b试样发生了解理断裂，c试样发生了沿晶断裂，说明a试样和b试样发生了一定的塑性变形，而c试样脆性要好于a试样和b试样。
从图2可以看出，a试样和b试样左右两侧边部与上下两侧边部不呈直角，断面面积稍有减少，说明边部有塑性变形发生。而c试样边部依然笔直，断面面积没有发生变化，说明了c试样的脆性要好于a试样和b试样，更加有利于裂解。
综合分析，c试样更利于裂解，适合于胀断连杆的制作。采用本实施例评价的c试样对应的锻钢46MnVS5材料制作胀断连杆，得到的胀断连杆胀断断口如图4所示，连杆大头部位塑韧性适中，变形小，接合度高，连杆成品率高，符合甚至优于厂家要求，已经应用于生产。
实施例2
采用本发明的方法对镁合金ZK60的裂解性能进行评价，具体包括：
步骤一、将两个镁合金ZK60材料均加工成尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样(两个冲击试样分别记为d、e)，如图1所示，在每个冲击试样的一个10mm×55mm面上加工深为0.5mm，宽为0.3mm～0.5mm的方形槽，本实施例的方形槽宽度为0.5mm；
步骤二、采用冲击试验机对步骤一中加工出方形槽的冲击试样进行冲击试验，得到冲击试样的冲击功Ak，单位为J；；
步骤三、按照公式αk＝Ak/F计算冲击试样的冲击韧度αk，单位为J/cm2，其中F为冲击试样断裂后断口的横截面面积，即断裂后断口的宽度乘以断口的高度，d、e两个冲击试样的断口的横截面面积分别为0.908cm2和0.914cm2；
步骤四、用扫描电镜观察断口的形貌(见图5和图6)，并测量断口断面的表面积(由于裂解后表面参差不齐，会产生许多新生的表面，这些新生表面的面积之和为断后断面表面积)，综合评价金属材料的裂解性能。
表2本实施例的镁合金ZK60的冲击功、冲击韧度及断口断面表面积
| 样品编号 | d | e |
| 冲击功A<sub>k</sub>/J | 9.9 | 5.3 |
| 断口横截面面积/cm<sup>2</sup> | 0.908 | 0.914 |
| 冲击韧度α<sub>k</sub>/J·(cm<sup>2</sup>)<sup>-1</sup> | 10.9 | 5.8 |
| 断口断面表面积/mm<sup>2</sup> | 128 | 113 |
从表2中冲击韧度数值来看，d试样的10.9J/cm2大于e试样的5.8J/cm2，因此e试样的脆性好于d试样。d试样的断口断面表面积为128mm2，高于理想范围8mm2，而e试样的113mm2是在理想范围内，因此e试样裂解性能较好。
从图5可以看出，d试样表面宏观上并不平整，这些不平整的表面说明d试样发生了一些塑性变形的。d试样左右两侧边部塑性变形较大，e试样脆性好更适合裂解。从图6可以看出，两种组织都呈脆性断口，d试样晶粒成块状，没有方向性；e试样组织有方向性，导致塑性降低，脆性上升，有利于材料的裂解。
综合分析，e试样更利于裂解，适合于胀断连杆的制作。采用本实施例评价的e试样对应的镁合金ZK60材料制作的胀断连杆符合厂家要求，已经应用于生产。
本发明的方法使得检测中加工工序变得简单、经济，最终工时从原来的1个月缩短至1周，成本缩减80％。
本发明的方法不需要加工复杂的试样，不需要使用高端设备，只需要在冲击试验机上进行试验，通过分析冲击功、断口形貌和断面大小来多方面评价材料的裂解性能，弥补现有评价方法的不足，适用范围广泛，适用于各种金属材料的裂解性能评价，如锻钢、铁基粉末金属、铜合金、铝合金、钛合金等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将金属材料加工成尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样，然后在加工的冲击试样的一个10mm×55mm面上加工深为0.5mm，宽为0.3mm～0.5mm的方形槽；
步骤二、采用冲击试验机对步骤一中加工出方形槽的冲击试样进行冲击试验，得到冲击试样的冲击功Ak，单位为J；
步骤三、按照公式αk＝Ak/F计算冲击试样的冲击韧度αk，单位为J/cm2，其中F为冲击试样断裂后断口的横截面面积，单位为cm2；
步骤四、观察冲击试样断裂后断口的形貌，并测量断口断面的表面积，综合评价金属材料的裂解性能。
2.按照权利要求1所述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤三中所述横截面面积为冲击试样断裂后断口的宽度乘以断口的高度。
3.按照权利要求1所述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤三中冲击韧度αk值越大表示金属材料越不容易裂解。
4.按照权利要求1所述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤四中采用扫描电镜观察断口的形貌。
5.按照权利要求4所述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，断口宏观平齐，微观上参差有序说明材料脆性好，没有发生塑性变形，有利于材料的裂解；扫描电镜下的断口发生沿晶断裂，说明材料脆性好，发生解理断裂或者准解理断裂说明材料发生了塑性变形，断口上出现剪切唇区和/或纤维区说明材料发生了塑性变形，在裂解过程中容易出现毛边和毛刺缺陷。
6.按照权利要求1所述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤四中所述断口断面的表面积是指所述断面上所有面的面积之和。
7.按照权利要求1所述的一种金属材料裂解性能评价方法，其特征在于，步骤四中符合裂解性能要求的冲击试样的断口断面表面积为105mm2～120mm2。
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