钢球压碎载荷实验方法的探讨

摘 要：本文对钢球压碎载荷实验方法进行了简单的概述，介绍了利用压力实验机，通过设计特殊夹具，进行钢球压碎载荷测试，并对实验结果的处理、判定进行了探讨，对钢球压碎载荷试验人员的操作、结果判定非常有帮助。

关键词：钢球 压碎载荷 结果判定 压碎试验夹具

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0060-01

钢球是牙轮钻头的重要轴承零件，球和其它部件接触面积小，具有摩擦力小的优点，但由于接触面积小，在轴承零件中，球最容易出现应力集中，工作过程被压碎或产生永久变形，从而导致钻头失效，压碎载荷指标对钢球是一个重要指标。

1 实验原理

由于钢球作为滚动零件，通常为点接触受力，实验过程模拟钢球受力状态，取三个同等规格的钢球为一组，将三个球垂直放入设计的胎具内，保证三个球在同一轴线上，加压时中间的钢球为两端点接触受力，中间的钢球为点接触，而上下两个球起支撑作用，分别为一端与中间钢球点接触，另一端与夹具支撑座的V型锥工作面环行线接触。在材料试验机上按照规定方法施加压载荷，直至钢球压碎时的瞬时负荷值。

2 实验装置

实验装置由力学实验机和实验夹具组成。力学实验机提供压碎钢球所需要的力；实验夹具提供支撑作用，并保证实验力正确施加在钢球上，夹具包括具有V型锥槽的支撑底座和压杆、可以把底座和压杆连接起来的连接件、防止压碎后钢球飞起造成破坏的保护筒组成。压杆和底座必须具有足够的厚度、强度和硬度，保证受力过程夹具自身不会损坏，可用碳素工具钢或轴承钢制造，淬回火后硬度为60～65 HRC。从试验时试验人员及设备的安全考虑，保护筒要有足够厚度和强度防止钢球在压碎试验时，碎块飞出夹具，造成破坏。钢球压碎载荷试验示意图（见图1）。

3 实验方法

根据钢球压碎载荷试验原理，钢球压碎试验流程和操作注意事项如下。

（1）每批经过热处理的钢球取3组球，每组3个，根据球的大小选择压碎夹具，通常钢球没入夹具V型凹槽的深度为钢球直径尺寸的1/3～1/2较为恰当，按示意图将钢球安装在夹具内，并装好保护筒。钢球压碎前要检查球的尺寸公差应一致，钢球表面不得有砂轮伤、凹坑、碰伤和麻点等表面缺陷。

（2）实验时其加载速度可按980～5880 N/s进行加载，实验中应尽量保持匀速加载，不得突然改变加载速度和中途卸去载荷。

（3）进行压碎载荷实验时，对钢球施加的载荷已经超过标准规定值时，虽然钢球未被压碎，亦可卸载，而在退除载荷时球发生破碎，此结果按合格处理。如有特别要求可将钢球加载至压碎为止。

（4）将压碎胎具由实验机上取下，打开保险罩，将球迅速取出扔到带盖的铁箱内，以防止钢球爆碎而伤人，然后记录其实验结果。

（5）实验过程中因为钢球安放不当而脱落而造成结果不准确时，此结果作废，重新取样实验；如钢球有不合标准的明显缺陷而造成结果不准确时，应依据外观验收条件进行报废或其他方式处理。

（6）实验时钢球达到最大载荷后由于屈服，压碎载荷小于标准值，应记录压碎载荷值；如果按照标准加压速度，屈服后载荷值基本不变化，持续5分钟而不发生破碎，这时应该停止加压，并记录最大载荷值，并注明钢球未发生破碎，如果最大值超过标准值，则应判为合格。

（7）球破碎时，有的实验机震动很大，而使指针产生跳动，使读数不准，因此要注意钢球将要破碎时的载荷读数。

4 实验结果处理、判定方法讨论

通过多次试验，发现钢球在承载压力试验时压缩曲线大致可分两类：第一类，钢球在压缩过程中，先出现弹性变形，压力与变形量呈线性关系，当压力达到一定程度后，开始出现永久变形，随着载荷的继续增大，永久变形量逐渐变大，整个过程未出现明显屈服点，直到钢球碎裂为止，这种情况下最大力与压碎载荷相等。在钢球压碎实验中，除出现以上情形外，可能会出现第二类情形，钢球在压缩过程中，先出现弹性变形，压力与变形量呈线性关系，当压力达到一定程度后，开始出现屈服现象，随着变形量的逐渐增加，试验机的指针开始停止或倒退（负荷不增加，变形继续增加），直到钢球碎裂，或出现长时间不会碎裂情况。加载变形过程中，在一定压力下出现变形的钢球接触面明显增加，钢球已经不再是点接触，而表现为面接触，加压过程先经过弹性变形，达到最大力后，载荷逐渐减小，随着时间的推移，载荷降低到一定程度后在很长时间内变化很小，这种情况大多出现在直径超过为15 mm的较大钢球，指针回复到一定程度后持续几分钟甚至几十分钟，载荷基本不发生变化，钢球也未碎裂，但产生了永久变形。由于钢球未发生碎裂，没有压碎载荷值，因为在实际工作中，钢球承受的载荷没有达到最大载荷值时，钢球基本不发生屈服变形，钢球处于安全状态。这种情况下建议记录最大载荷值，并在检测报告中注明钢球未发生碎裂，这样以供技术人员参考。

5 结语

本文介绍的钢球压碎载荷实验方法准确性好，可操作性强，对实验过程的特殊情况给出明确的操作和判定方法，能够更好指导钢球压碎载荷实验人员的操作和判定。

参考文献

[1] 机械行业标准.JB/T1255-2001高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件[S].北京：机械科学研究院，2001.

[2] 刘玉麟.钢球压碎试验夹具设计[J].试验机与材料试验，1986（5）.