标对工程应用具有极其重要的作用。本试验主要是测定0Cr17Ni7A1不锈钢在静载拉伸过程中的强度极限值[60]。
5.2试验前的准备
5.2.1试验设备的选择
（1）VF1600高温真空炉 此炉型号为VF-1600，加热腔体采用极低热导率和比热容的氧化铝纤维制品，保证了炉膛快速升温和低储热；加热元件选用U型硅钼棒，加热棒分布炉膛两侧，有利于炉内温度场的均匀分布。此炉最高温度可达1650℃，其工作室尺寸为450mm×200mm×200mm，实物如图5-1所示。
（2）Inspekt100kN电子万能高温试验机 此试验机的型号为Inspekt Table，测量范围为1-100kN，拥有高速智能化电控系统，可自动精确地控制试验过程，具有强大的数据采集功能，可实现等速率加荷、等速率变形以及等速率位移等试验，实物如图所示。
（3）夹持装置的选择 试样的装夹要选择适合的夹具，以便装卸。由于试验板料的强度较高，普通的靠摩擦力作为拉力的夹具不足以支撑试件被拉断时试件就已脱落，因此，此拉伸试件在两端设计了10mm的圆孔。既而，选择了带有螺栓的夹具进行固定，实物如图5-2所示。
图5-1箱形高温电炉
a)电子万能试验机 b)夹具
图5-2拉伸试验装置
5.2.2试样的准备
拉伸试样由夹持部分、过渡部分和平行部分构成。试样两端较粗部分为夹持部分，其形状和尺寸可根据试验机夹头情况而定；试样两夹持段之间的均匀部分为平行部分，即为试验段部分；夹持部分和均匀分间为过渡部分，常用圆弧进行光滑链接，以减少应力集中 [61] 。
0Cr17Ni7A1不锈钢的化学成分见表5-1。
表5-1 0Cr17Ni7A1不锈钢的主要化学成分(%) [62]
进行试验前，首先将板料制成标准试样。试验表明，试样的形状和尺寸、表面粗糙度和形位偏差等因素对试验的结果具有一定的影响。为了避免这些影响和便于机械性质的数值可互相比较，所以试件的尺寸依据国标GB3076-82标准制作，拉伸试样尺寸图如图5-3所示。和以往的拉伸件不同，此试件在末端设计了两个圆孔，经过多次模拟设计确定了其位置和尺寸，以保证对材料性能的影响达到最小值。按照图5-3的尺寸将0Cr17Ni7A1不锈钢钢板线切割成标准试样。其次，将试件同时进行加热处理，温度为480℃，并保温一小时，空冷，实物如图5-4所示。加热及保温过程均在真空炉内进行。在热处理之前，要将试件擦拭干净，避免杂物侵入试件中，影响实验结果。[59-62]
图5-3拉伸试样尺寸图
图5-4拉伸试验前坯料
5.3试验过程
5.3.1试样的安装
首先将试验机的上横梁向上移动一段距离，留出足够的空间安装试件。试件一端安装在卡具内，并用螺栓固定。缓慢降下上横梁到适合的夹持位置，将试件另一端夹紧在卡具内。开动试验机，预加少量载荷（当位移显示稍大于零时即可），然后将位移归零。
在安装时要尽量保持试样的垂直，因为在进行拉伸试验时，外力只有通过试样轴线才能确保材料处于单向应力状态。
5.3.2进行试验
开动试验机，以缓慢的速率均匀加载，直至试件被拉断，拉断后的实物如图5-5所示。记录并整理试验数据。
图5-5拉伸试验后坯料
5.3.3结束试验
关闭机器，取下试件，清理试验现场，并将试验机及相关工具复原。
5.4试验数据的处理
根据整理的数据，用Origin 8画出两试件的应力-应变图以及真实应力-应变图，分别如图5-6和图5-7所示。 从两图中可以看出，拉伸图最初一段都是曲线，这是由于试件在开始受力时，其两端的夹紧部分在试验机的夹头内有一定的滑动，但是这种滑动不会影响材料抗拉强度值。
a)试件1 b)试件2
图5-6名义应力-应变曲线
a)试件1 b)试件2
图5-7真实应力-应变曲线
由图5-6可知，试件1的名义抗拉强度 ，试件2的名义抗拉强度 ，两者的平均值 。由图5-7可知，试件1的真实抗拉强度 ，试件2的真实抗拉强度 ，两者的平均值 。通过比较，虽然两平均值相差不大，但是图5-7中的数据更能反映出材料的真实抗拉强度大小，所以在进行寿命模拟过程中，抗拉强度的值选择 。
5.5本章小节
本章采用试验的方法确定了0Cr17Ni7A1不锈钢材料的抗拉强度，为疲劳寿命分析提供了材料设置参数，从而新建符合实际的S-N曲线。
本章详细介绍了试验的各项工作，用Origin对数据进行了处理，同时对名义应力-应变曲线和真实应力-应变曲线进行了比较，虽然两者得到的抗拉强度值相差不大，但后者更能体现材料性能的真实情况，因此，选用后者并对其取近似，最终选定材料的抗拉强度 。
第二章 大型齿轮热模锻成形工艺分析 2.1引言
一般情况下，尺寸、参数及重量比常规情况都大的齿轮称为大型齿轮，通常认为其外径大于500mm。大型齿轮可分为大模数齿轮与大尺寸齿轮两类。大模数齿轮模数大、齿槽深、展成长度长，多为轴齿轮，且一般为人字齿轮或斜齿轮，在轧钢机械中应用较为广泛；大尺寸齿轮主要是指其外径大，这类齿轮通常模数不是很大，但齿数较多、重量也较大，外形多为盘形。本文主要针对大尺寸齿轮进行研究和探讨。
在齿轮的生产中，大型齿轮通常是由大钢锭直接锻造而成，其锻造工序一般为：钢锭拔长-下料-镦粗-冲孔-整形。但由于钢锭吨位较大，为保证锻件内部充分锻透，锻造时需要足够大的力才能使材料成形，而液压机的公称压力又有限，所以锻造的尺寸和截面厚度都受到限制。
2.2镦挤工艺
齿轮镦挤成形工艺是指将圆柱形坯料放入带有齿形的凹模型腔中，凸模施加轴向载荷，从而使坯料发生镦粗变形在径向上产生流动并逐渐充满整个型腔，其工艺简图如图2.1所示。此工艺为最基本的外齿轮成形方法，坯料金属通过轴向自由镦粗、开始充填齿腔及齿形充满三个阶段完成齿轮的最终成形。
图2.1 直齿圆柱齿轮镦挤工艺简图
采用镦挤工艺时，径向流动的金属与轴向的力相垂直，所受沿程阻力较大，金属自由流动面积越来越小，在成形终了阶段，金属可以自由流动的区域几乎接近于零，齿形充填也更加困难，便会出现成形力陡增的现象，如图2.2所示。根据金属塑性成形特点，可用减缩比R的变化来表示金属的流动状况，其公式为： (2-1) 式中，A表示坯料的全面积；F表示不与模具发生接触的自由面积。
图2.2 镦挤成形时成形力与成形时间关系图
由此可见，F越小，减缩比R越大，金属流动也就越困难。随着坯料镦挤过程的进行，F越来越小，R最后接近1，齿轮成形越来越困难，成形力陡升。此时，成形力的增加对齿形的充填并没有太大的意义，反而使得模具磨损加剧，寿命降低。所以，镦挤工艺成形齿轮不但成形力较大，而且在齿轮端部由于充填不足会有塌角产生，齿根也会有微裂纹。
2.3分流锻造思想
20世纪80年代，日本学者Kondo将分流锻造理论引入到齿轮锻造成形工艺中，使齿轮锻造技术的发展迈上了一个新的台阶[46]。分流的主要原理就是在坯料与模具组成的闭式模腔中设置分流通道，使得金属具有自由流动表面，从而控制减缩比的增加，有效降低成形力，促使锻件更易成形。对于齿轮锻造而言，分流可大大减缓成形终了时载荷的陡增，还能促进齿轮端部角隅的填充。 2.3.1孔分流与轴分流
在传统镦挤工艺的基础上，应用分流法可成形出良好的齿轮。目前，齿轮锻造采用较多的主要为孔分流法与轴分流法，其工艺简图如图2.3所示。孔分流是在坯料上留有中心孔，锻造时金属在流向齿形型腔的同时仍有向心的流动，使内孔趋于闭合；轴分流是在凸模上预留有中心孔，使得金属填充型腔时也会沿着轴向向外部流动。
图2.3 直齿圆柱齿轮孔分流与轴分流成形工艺
孔分流或轴分流的实质是增加了金属的自由流动面积，降低了减缩比与成形力，使得齿形充填更加饱满，但分流孔或分流轴的直径大小也会影响齿轮的成形质量。分流孔直径若太大，由最小阻力定律可知金属会优先流向阻力小的分流通道，导致齿形充填不完整；分流孔直径若太小，就会先于齿形闭合，从而达不到分流减压的目的，成形力依然很大。对于分流轴直径而言，也存在同样的情况，除此之外，由于分流通道开在凸模上，变形过程中会使得凸模受力很大，从而加剧了凸模的损坏。 2.3.2约束分流
孔分流或轴分流虽然可以使成形力大幅度降低，但在相对较低的工作压力下依然很难保证齿形充填饱满，而且变形过程中金属要流向分流口，不仅会造成材料浪费，而且还需增加后续去除工序。于是，后人在孔分流和轴分流的基础上提出了约束分流。其实质是通过在分流口处施加一定的约束阻力，迫使金属更多的流向齿形型腔，保证齿形完全充满时金属仍有自由流动面积，即减缩比不等于1，而且越小越好。目前人们采用较多的约束分流为约束孔分流与约束轴分流，其工艺简图如图2.4所示。
图2.4 直齿圆柱齿轮约束孔分流与约束轴分流成形工艺
约束孔分流通过在凸模上设置上下对称的凸台来限制金属的流动，调节凸台机构的约束直径D和约束深度L可以控制约束力的大小，使得齿形易于充满；约束轴分流通过在分流口处设置小芯棒来限制金属的轴向分流，调整分流轴直径