不銹鋼材料拉伸試驗影響因素及控制策略

 室溫拉伸試驗是評價不銹鋼材料力學性能的一種最為廣泛的試驗方法,文章結(jié)合標準對拉伸試驗的要求,重點從試樣、試驗儀器設(shè)備、試驗速率、試驗溫度四個方面分析了不銹鋼材料拉伸試驗的影響因素,綜述了最新研究進展,并提出了減少這些影響因素的控制策略,以提高拉伸試驗數(shù)據(jù)的準確性?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,各種原材料、精密器件、零配件乃至各類機械產(chǎn)品、車輛、建筑等的力學性能都需要經(jīng)過試驗才能進行確定。常規(guī)力學性能試驗包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度、剪切、壓縮及工藝性能試驗(擴口、扭轉(zhuǎn)、壓扁)等,其中拉伸試驗應(yīng)用最為廣泛,是不銹鋼材料研制、生產(chǎn)、采購及驗收、產(chǎn)品質(zhì)量控制、設(shè)備安全評估的最主要的檢驗項目之一。拉伸試驗過程中的各項強度和塑性指標是反映材料力學性能的重要參數(shù),在有些場合下還可以直接用拉伸試驗的結(jié)果作為判據(jù)。

一、影響因素分析

 不銹鋼材料拉伸性能取決于材料的化學成分,組織結(jié)構(gòu)等固有屬性,但同一種材料經(jīng)過不同的拉伸試驗,所得的試驗結(jié)果卻不盡相同,這往往與試樣、試驗速度、試驗機、夾具、環(huán)境溫度及人員操作等多方面因素有關(guān)。

 1. 試樣的影響

 試樣是不銹鋼材料力學性能測試的載體,正確的制備試樣是獲得準確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。由于不銹鋼材料在冷熱加工的過程中,成分結(jié)構(gòu)會發(fā)生各種變化,從而產(chǎn)生各處不均的形變,導(dǎo)致在試樣制備時,取樣的部位、方向、形狀等都會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

 一般而言,在軋制方向上取樣力學性能較好,垂直于軋制方向則較差。同時,為了降低加工硬化帶來的影響,通常采用銑削、磨削、線切割等加工手段進行試樣制備。呂曉剛通過對端環(huán)斷后伸長率不合格的影響因素的分析,得出了試樣形狀公差會造成斷后伸長率降低的結(jié)論。李凱等通過對比多組試樣的拉伸試驗數(shù)據(jù),研究了試樣機加工對拉伸試驗結(jié)果的影響,結(jié)果表面,試樣形狀公差越大,抗拉強度和斷后伸長率越小;尺寸正公差越大,斷后伸長率越大,尺寸負公差越大,斷后伸長率越小;表面粗糙度越大,抗拉強度和端面收縮率下降趨勢越明顯;過渡圓弧越大,上屈服強度越大。

 2. 儀器設(shè)備的影響

 拉伸試驗中使用的主要設(shè)備為拉伸試驗機,其它輔助測試儀器包括引伸計、夾具、尺寸測量工具及標距儀等。它們本身的準確度及試驗員能否正確使用會直接影響到試驗結(jié)果。

 賈少偉采用相同精度的不同測量工具進行拉伸試驗,通過實驗室比對,發(fā)現(xiàn)測量工具對材料屈服強度結(jié)果影響較大。崔德奎等采用V形夾具及半圓形夾具分別對預(yù)應(yīng)力鋼絞線進行拉伸試驗,通過理論分析及試驗結(jié)果比對,使用半圓形夾具測得鋼絞線最大力數(shù)值較大。包凱迪等通過試驗,發(fā)現(xiàn)拉伸試驗機液壓夾具夾持力(油箱油壓)對拉伸試驗曲線影響較大,夾持力偏小,曲線彈性階段中部出現(xiàn)抖動,接近屈服點的位置出現(xiàn)雙拐點,隨著拉力不斷增大,夾持力不足和設(shè)備間隙會影響試驗機的響應(yīng)速率和實時性,在曲線上表現(xiàn)為屈服階段向塑性階段的過渡階段缺失。此外,對于尺寸較小或材質(zhì)偏軟的試樣,較大的夾持力會使試樣在夾持端產(chǎn)生塑性變形,影響試驗曲線在彈性階段的線性。余立等在兩種不同柔度的試驗機上對多組性能相對穩(wěn)定的汽車用鋼板進行拉伸試驗,結(jié)果表明,較大柔度的試驗機測得的材料R p0.2及ReH值較小,而ReL、Rm及A的測量結(jié)果影響不明顯。

 3. 試驗速率的影響

 拉伸試驗速率控制方法和速率大小是影響試驗結(jié)果的重要因素,不同的試驗速率控制方法在試驗不同階段對各試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響也不同,這與材料對試驗速率改變的敏感程度有關(guān)。因此,需要進行大量的試驗,對比試驗數(shù)據(jù),才能研究試驗速率對拉伸試驗結(jié)果的影響。

 金志勇采用不同拉伸速率對無縫鋼管進行拉伸試驗,通過數(shù)據(jù)比對,發(fā)現(xiàn)拉伸速率對試樣屈服強度、抗拉強度影響不大,對伸長率有一定影響,速率越大,材料伸長率越低。梁明華等采用GB/T228.1-2010標準推薦的三種試驗速率對X80管線鋼進行拉伸試驗,研究表面,橫梁位移速率保持恒定,試樣應(yīng)變速率并不保持恒定,材料屈服強度及抗拉強度隨著試驗速率的提高而提高。高倩倩等研究了應(yīng)變速率對2024鋁合金拉伸性能的影響,并采用掃描電鏡及金相顯微鏡對試樣端面進行分析,結(jié)果表面:在低應(yīng)變速率下,合金中位錯密度大,分布相對均勻,材料以韌性斷裂為主,反之為脆性斷裂;隨著應(yīng)變速率的增大,材料屈服強度增加,抗拉強度略有下降,斷后伸長率及端面收縮率下降,彈性模量增加。

 一般而言,在保證溫度、試樣等條件相同的情況下,試驗速率對強度低而塑性好的材料影響較大,對于屈服強度的影響比抗拉強度要大。此外,隨著拉伸速率的增加,材料的斷后伸長率也可能會降低。

 4. 試驗溫度的影響

 根據(jù)GB/T228.1-2010的規(guī)定,室溫拉伸試驗應(yīng)控制在10-35℃的條件下進行,在這個范圍內(nèi),對于多數(shù)不銹鋼材料,環(huán)境溫度的變化對于試驗數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計。部分對溫度變化較為敏感的材料,隨著溫度升高,材料的塑性指標上升而強度指標下降,此時,需要用到溫度參數(shù)對試驗結(jié)果進行修正。此外,對于不銹鋼材料的高/低溫拉伸試驗,試驗溫度通常與試驗速率共同作用,對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過分析拉伸試驗數(shù)據(jù)及端口形貌發(fā)現(xiàn),中低溫下工業(yè)純鈦的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低不斷降低,拉伸行為存在溫度軟化與應(yīng)變速率強化現(xiàn)象,并且拉伸行為的溫度敏感性強于應(yīng)變速率敏感性。張俊平等通過試驗發(fā)現(xiàn),隨著溫度升高,孿生誘發(fā)塑性(TWIP)鋼的強度逐漸下降,伸長率逐漸增加,應(yīng)變硬化指數(shù)隨應(yīng)變增加達到并維持在較高水平。至德鋼業(yè)通過高溫拉伸試驗發(fā)現(xiàn),不同溫度條件下,AZ80鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)峰值,峰值應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小,塑性變形能力隨變形溫度的升高,先升高后降低。

二、控制策略研究

 除了上述幾個方面的因素,不銹鋼材料拉伸試驗還受到試驗人員、試樣夾持、引伸計裝夾等諸多因素的影響。在實際檢測過程中,應(yīng)當正確認識這些因素對拉伸試驗的影響,制定相應(yīng)的檢驗操作規(guī)程,確保檢測工作符合標準和規(guī)程的要求,以控制實驗結(jié)果的準備性,具體如下:

 1. 試樣的制備應(yīng)具有代表性,不能影響其力學性能。GB/T2975-1998規(guī)定了取樣的位置及制樣要求,GB/T228.1-2010規(guī)定了板材、棒材、管材等試樣類型的形狀、尺寸及制備要求,此外,對于具體產(chǎn)品的力學性能檢驗,其相關(guān)的產(chǎn)品標準中對取樣部位、取樣數(shù)量、性能要求都作了規(guī)定。在試驗中,應(yīng)嚴格控制取樣、制樣、驗收、流轉(zhuǎn)等每個環(huán)節(jié),提高試樣的加工技術(shù),減小各個試樣的差異,減小應(yīng)力集中,從而減少誤差,提高準確性。

 2. 儀器設(shè)備的量程及精度應(yīng)符合試驗要求。拉伸試驗機、引伸計及尺寸測量工具均需經(jīng)過有資質(zhì)的計量部門定期檢定,檢定合格并在有效期內(nèi)才能使用。此外,應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用頻率,定期進行設(shè)備維護保養(yǎng),定期進行期間核查,參加實驗室間比對、能力驗證等,以確保設(shè)備的準確性與穩(wěn)定性。

 3. 試驗速率控制方法及速率大小必須符合相應(yīng)標準的規(guī)定,應(yīng)根據(jù)材料的不同特性進行選擇,并予以記錄。在進行不銹鋼材料拉伸試驗時,應(yīng)盡量采用應(yīng)變速率的控制模式,以便于對比試驗結(jié)果。

 4. 試驗人員應(yīng)避免在試驗夾持、引伸計裝卸、尺寸測量、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)帶來的人為因素的誤差,以得到正確的試驗結(jié)果。

三、結(jié)語

  本文著重分析探討了試樣、試驗儀器設(shè)備、試驗速率、試驗溫度對拉伸試驗結(jié)果的影響并提出了相應(yīng)的控制策略。不銹鋼材料拉伸試驗結(jié)果的影響因素有很多,有些因素可以通過嚴格執(zhí)行試驗標準及操作規(guī)程來減小或者消除,只有在相同的試驗條件下,試驗結(jié)果的比較才有意義,只有認真分析研究試驗結(jié)果的影響因素,才能獲得準確的試驗數(shù)據(jù)。