不銹鋼材料拉伸試驗(yàn)影響因素及控制策略

 室溫拉伸試驗(yàn)是評(píng)價(jià)不銹鋼材料力學(xué)性能的一種最為廣泛的試驗(yàn)方法,文章結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拉伸試驗(yàn)的要求,重點(diǎn)從試樣、試驗(yàn)儀器設(shè)備、試驗(yàn)速率、試驗(yàn)溫度四個(gè)方面分析了不銹鋼材料拉伸試驗(yàn)的影響因素,綜述了最新研究進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jī)械產(chǎn)品、車輛、建筑等的力學(xué)性能都需要經(jīng)過試驗(yàn)才能進(jìn)行確定。常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度、剪切、壓縮及工藝性能試驗(yàn)(擴(kuò)口、扭轉(zhuǎn)、壓扁)等,其中拉伸試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛,是不銹鋼材料研制、生產(chǎn)、采購及驗(yàn)收、產(chǎn)品質(zhì)量控制、設(shè)備安全評(píng)估的最主要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。拉伸試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)強(qiáng)度和塑性指標(biāo)是反映材料力學(xué)性能的重要參數(shù),在有些場(chǎng)合下還可以直接用拉伸試驗(yàn)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(xué)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(yàn),所得的試驗(yàn)結(jié)果卻不盡相同,這往往與試樣、試驗(yàn)速度、試驗(yàn)機(jī)、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(xué)性能測(cè)試的載體,正確的制備試樣是獲得準(zhǔn)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(huì)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(shí),取樣的部位、方向、形狀等都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

 一般而言,在軋制方向上取樣力學(xué)性能較好,垂直于軋制方向則較差。同時(shí),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(jìn)行試樣制備。呂曉剛通過對(duì)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(huì)造成斷后伸長率降低的結(jié)論。李凱等通過對(duì)比多組試樣的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究了試樣機(jī)加工對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響,結(jié)果表面,試樣形狀公差越大,抗拉強(qiáng)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(fù)公差越大,斷后伸長率越小;表面粗糙度越大,抗拉強(qiáng)度和端面收縮率下降趨勢(shì)越明顯;過渡圓弧越大,上屈服強(qiáng)度越大。

 2. 儀器設(shè)備的影響

 拉伸試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備為拉伸試驗(yàn)機(jī),其它輔助測(cè)試儀器包括引伸計(jì)、夾具、尺寸測(cè)量工具及標(biāo)距儀等。它們本身的準(zhǔn)確度及試驗(yàn)員能否正確使用會(huì)直接影響到試驗(yàn)結(jié)果。

 賈少偉采用相同精度的不同測(cè)量工具進(jìn)行拉伸試驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)室比對(duì),發(fā)現(xiàn)測(cè)量工具對(duì)材料屈服強(qiáng)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(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行拉伸試驗(yàn),通過理論分析及試驗(yàn)結(jié)果比對(duì),使用半圓形夾具測(cè)得鋼絞線最大力數(shù)值較大。包凱迪等通過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)液壓夾具夾持力(油箱油壓)對(duì)拉伸試驗(yàn)曲線影響較大,夾持力偏小,曲線彈性階段中部出現(xiàn)抖動(dòng),接近屈服點(diǎn)的位置出現(xiàn)雙拐點(diǎn),隨著拉力不斷增大,夾持力不足和設(shè)備間隙會(huì)影響試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)速率和實(shí)時(shí)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(duì)于尺寸較小或材質(zhì)偏軟的試樣,較大的夾持力會(huì)使試樣在夾持端產(chǎn)生塑性變形,影響試驗(yàn)曲線在彈性階段的線性。余立等在兩種不同柔度的試驗(yàn)機(jī)上對(duì)多組性能相對(duì)穩(wěn)定的汽車用鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明,較大柔度的試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的材料R p0.2及ReH值較小,而ReL、Rm及A的測(cè)量結(jié)果影響不明顯。

 3. 試驗(yàn)速率的影響

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

 金志勇采用不同拉伸速率對(duì)無縫鋼管進(jìn)行拉伸試驗(yàn),通過數(shù)據(jù)比對(duì),發(fā)現(xiàn)拉伸速率對(duì)試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度影響不大,對(duì)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(biāo)準(zhǔn)推薦的三種試驗(yàn)速率對(duì)X80管線鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn),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(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨著試驗(yàn)速率的提高而提高。高倩倩等研究了應(yīng)變速率對(duì)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(duì)試樣端面進(jìn)行分析,結(jié)果表面:在低應(yīng)變速率下,合金中位錯(cuò)密度大,分布相對(duì)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(qiáng)度增加,抗拉強(qiáng)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(yàn)速率對(duì)強(qiáng)度低而塑性好的材料影響較大,對(duì)于屈服強(qiáng)度的影響比抗拉強(qiáng)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(huì)降低。

 4. 試驗(yàn)溫度的影響

 根據(jù)GB/T228.1-2010的規(guī)定,室溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)控制在10-35℃的條件下進(jìn)行,在這個(gè)范圍內(nèi),對(duì)于多數(shù)不銹鋼材料,環(huán)境溫度的變化對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。部分對(duì)溫度變化較為敏感的材料,隨著溫度升高,材料的塑性指標(biāo)上升而強(qiáng)度指標(biāo)下降,此時(shí),需要用到溫度參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。此外,對(duì)于不銹鋼材料的高/低溫拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)溫度通常與試驗(yàn)速率共同作用,對(duì)試驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)化現(xiàn)象,并且拉伸行為的溫度敏感性強(qiáng)于應(yīng)變速率敏感性。張俊平等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著溫度升高,孿生誘發(fā)塑性(TWIP)鋼的強(qiáng)度逐漸下降,伸長率逐漸增加,應(yīng)變硬化指數(shù)隨應(yīng)變?cè)黾舆_(dá)到并維持在較高水平。至德鋼業(yè)通過高溫拉伸試驗(yàn)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(gè)方面的因素,不銹鋼材料拉伸試驗(yàn)還受到試驗(yàn)人員、試樣夾持、引伸計(jì)裝夾等諸多因素的影響。在實(shí)際檢測(cè)過程中,應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識(shí)這些因素對(duì)拉伸試驗(yàn)的影響,制定相應(yīng)的檢驗(yàn)操作規(guī)程,確保檢測(cè)工作符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求,以控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)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(xué)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(duì)于具體產(chǎn)品的力學(xué)性能檢驗(yàn),其相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)取樣部位、取樣數(shù)量、性能要求都作了規(guī)定。在試驗(yàn)中,應(yīng)嚴(yán)格控制取樣、制樣、驗(yàn)收、流轉(zhuǎn)等每個(gè)環(huán)節(jié),提高試樣的加工技術(shù),減小各個(gè)試樣的差異,減小應(yīng)力集中,從而減少誤差,提高準(zhǔn)確性。

 2. 儀器設(shè)備的量程及精度應(yīng)符合試驗(yàn)要求。拉伸試驗(yàn)機(jī)、引伸計(jì)及尺寸測(cè)量工具均需經(jīng)過有資質(zhì)的計(jì)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(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng),定期進(jìn)行期間核查,參加實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)、能力驗(yàn)證等,以確保設(shè)備的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

 3. 試驗(yàn)速率控制方法及速率大小必須符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,應(yīng)根據(jù)材料的不同特性進(jìn)行選擇,并予以記錄。在進(jìn)行不銹鋼材料拉伸試驗(yàn)時(shí),應(yīng)盡量采用應(yīng)變速率的控制模式,以便于對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

 4. 試驗(yàn)人員應(yīng)避免在試驗(yàn)夾持、引伸計(jì)裝卸、尺寸測(cè)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(yàn)結(jié)果。

三、結(jié)語

  本文著重分析探討了試樣、試驗(yàn)儀器設(shè)備、試驗(yàn)速率、試驗(yàn)溫度對(duì)拉伸試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的影響因素有很多,有些因素可以通過嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)程來減小或者消除,只有在相同的試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)結(jié)果的比較才有意義,只有認(rèn)真分析研究試驗(yàn)結(jié)果的影響因素,才能獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。