鋼球壓碎載荷實驗方法的探討

摘 要：本文對鋼球壓碎載荷實驗方法進行了簡單的概述，介紹了利用壓力實驗機，通過設計特殊夾具，進行鋼球壓碎載荷測試，并對實驗結果的處理、判定進行了探討，對鋼球壓碎載荷試驗人員的操作、結果判定非常有幫助。

關鍵詞：鋼球 壓碎載荷 結果判定 壓碎試驗夾具

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0060-01

鋼球是牙輪鉆頭的重要軸承零件，球和其它部件接觸面積小，具有摩擦力小的優點，但由于接觸面積小，在軸承零件中，球最容易出現應力集中，工作過程被壓碎或產生永久變形，從而導致鉆頭失效，壓碎載荷指標對鋼球是一個重要指標。

1 實驗原理

由于鋼球作為滾動零件，通常為點接觸受力，實驗過程模擬鋼球受力狀態，取三個同等規格的鋼球為一組，將三個球垂直放入設計的胎具內，保證三個球在同一軸線上，加壓時中間的鋼球為兩端點接觸受力，中間的鋼球為點接觸，而上下兩個球起支撐作用，分別為一端與中間鋼球點接觸，另一端與夾具支撐座的V型錐工作面環行線接觸。在材料試驗機上按照規定方法施加壓載荷，直至鋼球壓碎時的瞬時負荷值。

2 實驗裝置

實驗裝置由力學實驗機和實驗夾具組成。力學實驗機提供壓碎鋼球所需要的力；實驗夾具提供支撐作用，并保證實驗力正確施加在鋼球上，夾具包括具有V型錐槽的支撐底座和壓桿、可以把底座和壓桿連接起來的連接件、防止壓碎后鋼球飛起造成破壞的保護筒組成。壓桿和底座必須具有足夠的厚度、強度和硬度，保證受力過程夾具自身不會損壞，可用碳素工具鋼或軸承鋼制造，淬回火后硬度為60～65 HRC。從試驗時試驗人員及設備的安全考慮，保護筒要有足夠厚度和強度防止鋼球在壓碎試驗時，碎塊飛出夾具，造成破壞。鋼球壓碎載荷試驗示意圖（見圖1）。

3 實驗方法

根據鋼球壓碎載荷試驗原理，鋼球壓碎試驗流程和操作注意事項如下。

（1）每批經過熱處理的鋼球取3組球，每組3個，根據球的大小選擇壓碎夾具，通常鋼球沒入夾具V型凹槽的深度為鋼球直徑尺寸的1/3～1/2較為恰當，按示意圖將鋼球安裝在夾具內，并裝好保護筒。鋼球壓碎前要檢查球的尺寸公差應一致，鋼球表面不得有砂輪傷、凹坑、碰傷和麻點等表面缺陷。

（2）實驗時其加載速度可按980～5880 N/s進行加載，實驗中應盡量保持勻速加載，不得突然改變加載速度和中途卸去載荷。

（3）進行壓碎載荷實驗時，對鋼球施加的載荷已經超過標準規定值時，雖然鋼球未被壓碎，亦可卸載，而在退除載荷時球發生破碎，此結果按合格處理。如有特別要求可將鋼球加載至壓碎為止。

（4）將壓碎胎具由實驗機上取下，打開保險罩，將球迅速取出扔到帶蓋的鐵箱內，以防止鋼球爆碎而傷人，然后記錄其實驗結果。

（5）實驗過程中因為鋼球安放不當而脫落而造成結果不準確時，此結果作廢，重新取樣實驗；如鋼球有不合標準的明顯缺陷而造成結果不準確時，應依據外觀驗收條件進行報廢或其他方式處理。

（6）實驗時鋼球達到最大載荷后由于屈服，壓碎載荷小于標準值，應記錄壓碎載荷值；如果按照標準加壓速度，屈服后載荷值基本不變化，持續5分鐘而不發生破碎，這時應該停止加壓，并記錄最大載荷值，并注明鋼球未發生破碎，如果最大值超過標準值，則應判為合格。

（7）球破碎時，有的實驗機震動很大，而使指針產生跳動，使讀數不準，因此要注意鋼球將要破碎時的載荷讀數。

4 實驗結果處理、判定方法討論

通過多次試驗，發現鋼球在承載壓力試驗時壓縮曲線大致可分兩類：第一類，鋼球在壓縮過程中，先出現彈性變形，壓力與變形量呈線性關系，當壓力達到一定程度后，開始出現永久變形，隨著載荷的繼續增大，永久變形量逐漸變大，整個過程未出現明顯屈服點，直到鋼球碎裂為止，這種情況下最大力與壓碎載荷相等。在鋼球壓碎實驗中，除出現以上情形外，可能會出現第二類情形，鋼球在壓縮過程中，先出現彈性變形，壓力與變形量呈線性關系，當壓力達到一定程度后，開始出現屈服現象，隨著變形量的逐漸增加，試驗機的指針開始停止或倒退（負荷不增加，變形繼續增加），直到鋼球碎裂，或出現長時間不會碎裂情況。加載變形過程中，在一定壓力下出現變形的鋼球接觸面明顯增加，鋼球已經不再是點接觸，而表現為面接觸，加壓過程先經過彈性變形，達到最大力后，載荷逐漸減小，隨著時間的推移，載荷降低到一定程度后在很長時間內變化很小，這種情況大多出現在直徑超過為15 mm的較大鋼球，指針回復到一定程度后持續幾分鐘甚至幾十分鐘，載荷基本不發生變化，鋼球也未碎裂，但產生了永久變形。由于鋼球未發生碎裂，沒有壓碎載荷值，因為在實際工作中，鋼球承受的載荷沒有達到最大載荷值時，鋼球基本不發生屈服變形，鋼球處于安全狀態。這種情況下建議記錄最大載荷值，并在檢測報告中注明鋼球未發生碎裂，這樣以供技術人員參考。

5 結語

本文介紹的鋼球壓碎載荷實驗方法準確性好，可操作性強，對實驗過程的特殊情況給出明確的操作和判定方法，能夠更好指導鋼球壓碎載荷實驗人員的操作和判定。

參考文獻

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