鍛壓刀圈理化試驗(yàn)分析研究

張凌，張愛武，陳強(qiáng)，江磊峰

（吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市 132200）

0 前言

彎曲試驗(yàn)可以穩(wěn)定地測(cè)定材料脆性和抗彎強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣斷面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表面應(yīng)力最大，可以較靈活地反映材料的表面缺陷情況，用來檢查材料的表面質(zhì)量。對(duì)于工具鋼及硬質(zhì)合金鋼等脆性材料彎曲試驗(yàn)時(shí)，可以可靠地測(cè)定材料的抗彎強(qiáng)度，測(cè)定它們的塑性。

本文通過對(duì)鍛壓刀圈材料材質(zhì)分析，拉伸試驗(yàn)，三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，為進(jìn)一步深入研究鍛壓刀圈的性能提供技術(shù)支持。

1 元素成分分析

采用德國布魯克公司制造的Q2型直讀光譜儀，對(duì)刀圈材料的化學(xué)元素組成進(jìn)行了測(cè)試，主要元素分析結(jié)果見表1。

2 材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)試

從拉伸圖上找出試驗(yàn)過程中的最大力值Fm，將其除以試樣原始橫截面積So，即得到抗拉強(qiáng)度Rm。 Fm為28274N，試樣直徑d為φ4mm。

表1 鋼材元素組成百分比

3 三點(diǎn)彎曲測(cè)試

采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲方式對(duì)圓形或矩形橫截面試樣施加彎曲力，直至斷裂，測(cè)定其彎曲力學(xué)性能。

對(duì)刀圈1號(hào)鋼材進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試。試樣尺寸為30×5×1 mm，支撐頭跨距為20 mm，加載速度1 μm/s，載荷-位移曲線如圖 1所示，曲線斜率沒有表現(xiàn)出明顯的減小，鋼材達(dá)到臨界載荷后突然斷裂，表現(xiàn)出一定的脆性特征，斷裂時(shí)的載荷為387.3N。彎曲強(qiáng)度可由下式求得：

式中F——最大彎曲力，N；

lS——支撐頭跨距，mm；

W——試樣截面系數(shù)，mm3；

b——試樣寬度，mm；

h——試樣高度，mm；

W=bh2/6（矩形橫截面試樣）

其彎曲強(qiáng)度達(dá)到了2300 MPa以上，可見這種熱作模具鋼具有較高的強(qiáng)度。

4 四點(diǎn)彎曲測(cè)試

采用鍛壓刀圈1號(hào)鋼材進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試，試樣尺寸為30×5×1 mm，支撐頭跨距為10 mm，加載速度1 μm/s，載荷-位移曲線如圖2所示。因?yàn)榧虞d到最大載荷500N時(shí)試樣還未斷裂，進(jìn)行了曲線卸載。兩個(gè)試樣的曲線重復(fù)性較好，根據(jù)四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式：

圖1 鋼材三點(diǎn)彎曲載荷-位移曲線

圖2 鋼材四點(diǎn)彎曲載荷-位移測(cè)試

可見其彎曲強(qiáng)度要大于2318.9MPa，與三點(diǎn)彎曲測(cè)試計(jì)算結(jié)果相一致。

斷裂按其性質(zhì)可分為延性（韌性）斷裂和脆性斷裂，延性斷裂伴隨明顯塑性變形而形成延性斷口（斷裂面與拉應(yīng)力垂直或傾斜，剪切唇與拉力軸線幾乎成45°角，其上具有細(xì)小的凹凸，呈纖維狀）的斷裂。一般包括純剪切變形斷裂、韌窩斷裂、蠕變斷裂。延性斷裂的主要特征是斷裂前發(fā)生明顯宏觀塑性變形，它預(yù)先警告人們注意，因此斷裂不會(huì)造成嚴(yán)重事故。脆性斷裂的主要特征是斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，是一種突然發(fā)生的斷裂，因而危害性很大。一般包括沿晶脆性斷裂、解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂、疲勞斷裂等。

圖3是材料破壞后的斷口顯微掃描照片。圖4是斷面的三維形貌，從形貌判斷材料還是具有一定的韌性，斷口并不平滑，有韌窩出現(xiàn)，所以推斷其并不是脆性破壞。

圖3 破壞斷面的顯微掃描照片

圖4 斷面部分三維形貌

5 結(jié)語

此種熱作模具鋼在達(dá)到臨界載荷時(shí)容易表現(xiàn)為突然破壞，表現(xiàn)在刀具上可能是刀具材料的崩刃、破碎等失效形式，使用時(shí)要避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。在實(shí)際使用時(shí)開展材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)分析并及時(shí)更換維修刀具材料可以有效延長材料壽命，降低工程成本。目前國內(nèi)外都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到單純追求高硬度的局限性和開發(fā)高韌性滾刀刀圈的必要性，高水平TBM刀圈的研制主要集中在材料的冶金性能和熱處理工藝兩個(gè)方面，努力使刀圈材料具有高硬度、高韌性、高耐磨性、一定的抗回火性能和良好的冷熱加工工藝性能成為重要的性能指標(biāo)。