活塞环硬度、弯曲度、磨损量及拉伸试验方法
摘要：活塞环是柴油机的重要零部件之一，其主要功能是封闭缸盖与活塞之间的空隙，确保燃烧室的密闭性，同时也有润滑油回流、冷却缸盖等重要作用。因此，柴油机活塞环的质量和性能对发动机的运转效率和寿命有着至关重要的影响。柴油机活塞环材料的选择是影响其性能的关键因素之一。目前应用较广泛的柴油机活塞环材料主要有铸铁、高合金铸铁、钢材、钛合金等，不同的材料具有不同的强度、硬度、磨损性能等特性。为了确保柴油机活塞环材料性能的可靠性和稳定性，需要对其进行力学性能测试与分析研究。
一、活塞环测试实验方法
1、材料硬度测试
硬度是柴油机活塞环材料的一项重要性能指标，直接体现了其抗磨性和耐用性。通常采用硬度测试仪进行测试，其中比较常用的方法包括布氏硬度测试、洛氏硬度测试、维氏硬度测试等。测试结果可以为柴油机活塞环材料的选择和应用提供参考。
2、材料弯曲试验
弯曲试验可以反映柴油机活塞环材料的强度和韧性，通常采用三点弯曲试验或四点弯曲试验进行。测试时需注意样品的尺寸和形状，测试过程中要保证加载速率恒定。通过测试结果，可以了解材料的弯曲变形特性和断裂韧度，为柴油机活塞环的应用和改进提供依据。
3、材料磨损测试
柴油机活塞环运行时会受到磨损，因此磨损性能是影响其使用寿命的重要因素，也是材料力学性能测试的重点之一。测试磨损性能可以采用滚动磨损试验、高周疲劳试验、滑动磨损试验等方法。通过测试结果，可以了解柴油机活塞环材料的磨损机理和磨损机制，有助于材料的改进和优化。
4、材料拉伸试验
拉伸试验是了解材料强度和延展性能的常用方法之一。测试时需要采用合适的试样尺寸和夹紧方式，保证加载速率均匀。通过测试结果，可以了解柴油机活塞环材料的屈服强度、极限强度、延展性质等力学性能指标，以及材料的应力-应变曲线等信息。
活塞环弹力测量
二、活塞环实验的注意事项
（1）试样（特别是毛坯）应加工到成品高度及应有的表面粗糙度。
对铸铁环一般小环（环直径小于70）的毛坯环高常为3mm，而成品高为≤1.5mm，部分工厂常对试样高度磨至大于1.5mm，有时达2mm多，这样使测出的硬度值往往高出0.5~1个单位。环样表面不能有粗车刀纹，其表面粗糙度应为Ra0.8μm，否则，测试结果会不准确。
一般对钢质环维氏硬度试样表面粗糙度要求Ra0.4μm以下；钢质环成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下。
（2）被测柴油机活塞环试样的基准面（环样的下侧面）在工作台上要稳实放置并保证试验中试样不产生位移，为此环样不能挠曲或部分架空，基准面不能有毛刺，此面与工作台面应清洁且无其它污物（氧化皮、油脂、灰尘等）。
（3）使压头与试样表面接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和振动，直至将试验力施加至规定值。
说明：
由于铸铁柴油机活塞环广泛使用HRB测定，其实际测定范围已超出其常规测量的25~100范围。测定维氏硬度时必须在要求的试验力范围内施加规定的试验力，其试验力从5~100kgf（约50~1000N）范围内变化，应根据要求进行选择。对氮化钢质柴油机活塞环，由于渗氮层很薄，通常用维氏硬度计（HV）进行测量时，选择试验力应根据渗氮层深度进行选择。
经过表面处理的钢质柴油机活塞环，毛坯一般选用维氏硬度5kgf（49.03N）试验力；成品钢质环选用小负荷维氏硬度0.2kgf（1.961N）试验力。测量薄膜一般加载用HV0.1、HV1.0、HV0.050三种之一.
测试维氏硬度时，从加试验力开始至全部试验力施加完毕时间应在2~10s之间。对于小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验，压实下降速度应不大于0.2mm/s，试验力保持为10~15s。对于特殊材料，试验力保持时间可以延长，但误差在±2s之内。
（4）整体铸铁油环不宜测定硬度值，因为油槽油孔的结构，导致不能准确测出硬度值。对于环高低于1.5mm的铸铁环，测量硬度的工作台面中心不能有凹坑，如有凹坑则测量时应添加一定刚度的垫片，将环样放置在垫片上测试（垫片应有较好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下），否则测定的硬度值会偏低，可能低1~2个HRB单位，甚至环被压断。
（5）布氏硬度超过350HB时，钢球的硬质合金球测得的结果，可能有明显不同，因此测定位于350~450HB的布氏硬度应注明所用压头
（6）在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。硬度计在受震状态，指针震动时不能测量硬度值；
（7）拆洗硬度计或在维护硬度计加油后，应让硬度计运转多次后并经二级标准硬度试块测定，测得标块硬度值在±1个硬度单位范围内才可正式测量。一般每天上班测的第一点硬度值不能正式计数；更换压头（例如换钢珠）测试的前三点不能正式计数，往后测得的测定值才正式计数。
（8）应定期（视压头的钢球或金刚石圆锥体的质量来定时间的长短），用二级标准硬度试块测试，如超出标块硬度值±1个硬度单位时，应调整或清洗硬度计。
（9）选用的二级标准硬度试块的硬度值应尽量接近试样测定值，例如灰铸铁柴油机活塞环硬度值为98~108HRB，因为一般标块硬度小于100HRB，所以要选用90~95HRB硬度尽量高的标块（购买时应予注意；硬度大于100HRB的标块常常是假冒伪劣产品）。
（10）压痕（指测试点）之间，压痕与工件边缘之间距离宜大于3mm。由于柴油机活塞环尺寸小，在径向厚度小于6mm时，测定点到环的内外圆无法保证大于3mm，此时测试点也应保证压痕之间，压痕与环开口端的距离不小于3mm。
（11）加初载荷时，转速宜均匀，指针力求一次到位，如不到位也应控制在三小格之内；卸载荷速度不宜过快，转速要均匀，如卸载荷速度太快，硬度测定值可能会偏高0.5~1个HRB单位。
（12）当钢球（Φ1.588）质量不好时，会发生下列现象：一是钢球变形（变扁）；二是钢球接触环的测量面磨损较快，导致该接触面部分表面发暗无光泽。上述两种情况均使测量值升高，常可达1~3个HRB单位，如有此现象应立即更换钢球。13主载荷的加载速度太快或太慢时，可将缓冲器的油针适当的旋入或旋出加以调整。对于质量好的钢球，在使用一定时间后，宜将钢球转位（卸下重装，使钢球接触环的那个部位转换个位置）。
总结：
综上所述，柴油机活塞环材料的力学性能测试和分析研究是提高发动机性能和寿命的重要手段，也是柴油机活塞环材料应用和改进的基础。在日常维护和保养中，建议定期检查柴油机活塞环磨损情况，及时更换磨损严重的柴油机活塞环，以保证发动机的运转效率和安全性。
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