高驥天，李清松，楊功顯，張邦強

（東方汽輪機有限公司材料研究中心，四川 德陽 618000）

生產(chǎn)檢驗中測試材料n值的方法

高驥天，李清松，楊功顯，張邦強

（東方汽輪機有限公司材料研究中心，四川 德陽 618000）

針對目前測試材料在高溫條件下應變硬化指數(shù)n值無相應試驗標準，但針對超超臨界汽輪機組中所用材料在高溫條件下測試n值需求較大的狀況，采用CMT 5105萬能試驗機在常溫和高溫條件下對汽輪機密封圈材料06Cr25Ni20測試真應力—應變曲線和n值，并采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對n值進行統(tǒng)計。討論不同拉伸速率和取點數(shù)量對n值統(tǒng)計結果的影響，試驗結果表明：當取點數(shù)量達到或超過10點時，材料06Cr25Ni20在620℃的n值的離散程度明顯降低，其95%的置信區(qū)間更加精確。

彈塑性力學；方差分析；拉伸試驗；硬化指數(shù)n值

0 引 言

隨著國家節(jié)能減排政策的實施，發(fā)電用汽輪機的功率越來越大，這對汽輪機密封部件的密封性能也提出了更高的要求。目前，采用密封環(huán)在工作狀態(tài)（620℃）時緊套和閥殼內(nèi)壁產(chǎn)生接觸實現(xiàn)局部塑性變形以保證汽密性，是汽輪機設計中一個常用方式。材料在塑性過程中的變化情況和本構關系可以通過真應力—應變曲線很好地反映[1]，并能以此確定軋制工藝[2]；真應力—應變曲線已用于包括鐵素體不銹鋼、汽車儀表盤[3]、TBM刀具鋼[4]材料的失效和力學行為的研究。同時，應變硬化指數(shù)n值也可作為衡量材料形變強化的定量指標[5]。目前測試高溫條件下的應變硬化指數(shù)n值的原理參照常溫試驗進行，結合文獻[6]和文獻[7]，建立對圓柱體試樣在高溫拉伸中的真應力真應變的計算模型。但高溫條件下，溫度控制和應變測量等因素會對試驗結果造成影響，所以在保證溫度控制精度和應變測量精度的前提下，適當增加取點數(shù)量可以有效避免因測量原因而造成的計算結果的誤差[8-9]；而當取點數(shù)量過多時，則會增加工作量，所以當取點數(shù)量為10點最為適宜。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為奧氏體不銹鋼06Cr25Ni20，材料金相組織見圖1。為了保證計算結果不受爐次、原材料等因素的影響，本次試驗取樣來源為一批原材料，同一爐次出爐。其制造工藝為鍛壓、1000～1150℃的固溶處理、850～950℃的去應力退火，保溫60min后空冷。

根據(jù)實際測試，本次試驗材料的化學成分如表1所示。

表1 06Cr25Ni20主要化學成分質(zhì)量分數(shù) %

圖1 06Cr25Ni20的金相組織

1.2 試驗參數(shù)設定

試驗溫度分別為室溫、620℃；應變速率對奧氏體不銹鋼的硬化指數(shù)存在敏感性[10-12]，所以設定高溫條件下的應變速率為0.004/min，位移速率為0.2mm/min。

拉伸試樣均采用GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫 試驗方法》中的R4試樣，工作直徑為10mm。為了保證拉伸試驗的精度，在試樣上按照標距長度（L0=50 mm）加工凸臺，方便安裝引伸計導桿；引伸計導桿為對稱安裝，并用緊固環(huán)完全固定，以保證不會因為受力等原因發(fā)生偏移，造成測試誤差。將上下導桿通過插銷連接，在保證了插銷活動自如后，安裝0.5級引伸計，如圖2所示。

高溫爐配備了3段熱電偶，分別用于測量試樣上中下3段溫度，均通過了計量認證；當且僅當高溫爐溫度到達試驗溫度，且上中下3段溫度相差3℃之內(nèi)時，開始保溫。

圖2 拉伸試樣和應變測試裝置

2 結果與數(shù)據(jù)分析

2.1 常溫真應力-應變曲線測試和n值分析結果

圖3為06Cr25Ni20在常溫條件下的真應力-應變曲線（縮頸以前）。

圖3 06Cr25Ni20常溫真應力-應變曲線

表2、表3分別為06Cr25Ni20在常溫條件下的n值和根據(jù)其分布所得到的數(shù)理統(tǒng)計結果。

表2 06Cr25Ni20常溫應變硬化指數(shù)n值

表3 06Cr25Ni20常溫應變硬化指數(shù)n值數(shù)理統(tǒng)計結果

可以看出，分布離散程度很小，說明該材料性能均勻，從而保證高溫條件下材料不會因為性能不均勻導致計算結果的較大偏差。

圖4 06Cr25Ni20 620℃真應力-應變曲線（位移控制）

圖5 06Cr25Ni20 620℃真應力-應變曲線（應變控制）

2.2 高溫真應力-應變曲線及常規(guī)力學性能

圖4和圖5為620℃下06Cr25Ni20的真應力-應變曲線（縮頸以前）。其中，圖4采用位移控制，圖5采用的是應變控制；材料硬化階段全程采用引伸計跟蹤標距段的變形。

2.3 高溫應變硬化指數(shù)n值及其分布

對不同控制方式條件下的曲線，采用不同的取點數(shù)量計算n值，結果如表4和表5所示。

表4 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數(shù)n值（位移控制）

表5 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數(shù)n值（應變控制）

表6 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數(shù)數(shù)理統(tǒng)計特征值（位移控制）

表7 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數(shù)數(shù)理統(tǒng)計特征值（應變控制）

圖6 620℃下應變硬化指數(shù)n值的標準差隨取點數(shù)目的分布

不同控制模式下，n值的標準差隨著取點數(shù)量的變化如圖6所示。相應的數(shù)理統(tǒng)計特征值如表6和表7所示。

從圖6可以看出，采用位移控制得到的結果樣本離散程度相對較大，這是因為采用位移控制時，拉伸試樣標距段內(nèi)的變形并不是均勻變形，標距段在縮頸之前變形程度的不一致，造成硬化程度的不同[8]；而采用應變控制時，在縮頸前，試樣標距段內(nèi)各處均勻變形，不會受到因試樣變形不均勻而導致硬化程度不同的影響。

通過表6、表7可以看出，7點法得到的樣本中結果偏差較大，且置信區(qū)間較寬，精度較低。隨著取點數(shù)量的增加，樣本的離散程度在不斷減小，置信區(qū)間也在不斷縮小，準確度增加。這是因為高溫條件下的拉伸試驗影響因素較多，且取點數(shù)量較小時，偶然性因素的影響會增加，增加取點數(shù)量會減小這種偶然性因素的影響。

3 結束語

1）常溫條件下的試驗證明材料的性能均勻，排除了因材料性能不均勻而造成高溫條件下n值的偏離。

2）高溫條件下計算材料的應變硬化指數(shù)n值，須采用應變控制模式，減少因位移控制帶來的標距段內(nèi)的變形程度不均勻，排除不均勻變形對結果產(chǎn)生的影響。

3）在高溫條件下，增加取點數(shù)量會使樣本的分散性明顯減小，降低測量誤差和溫度均勻性等因素對結果的影響。而當取點數(shù)量高于10點時，測量誤差和溫度均勻性等影響因素對結果的影響明顯減小，所以生產(chǎn)上所需要的高溫條件下的應變硬化指數(shù)n值，可采用10點法計算。

[1]劉樹敏.鐵素體不銹鋼連鑄坯板的高溫力學行為研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2010.

[2]周圣豐，方園，于艷，等.薄帶連鑄304不銹鋼高溫熱變形時真應力真應變計算模型的研究[J].寶鋼技術，2005（4）：47-50.

[3]何業(yè)磊.汽車儀表板材料與頭部碰撞模擬分析[D].大連：大連理工大學，2013.

[4]趙金華.高韌性TBM刀圈用鋼高溫變形行為及熱處理工藝研究[D].太原：太原科技大學，2013.

[5]羅海文，趙沛.高溫拉伸試驗中真應力真應變的計算及試驗研究[J].鋼鐵研究學報，1998，10（3）：61-64.

[6]蘇紅英，隋曉紅，李文斌，等.拉伸應變硬化指數(shù)的測試及方法比較[J].理化檢驗：物理分冊，2011（11）：682-685.

[7]李玉蘭.真應力-應變的定義及其力學特征 [J].重慶大學學報：自然科學版，2001（5）：58-60.

[8]譚洪峰，王萍，楊雷，等.應變硬化指數(shù)n值與拉伸控制模式及拉伸速率關系的探討[J].理化檢驗物理分冊，2010（11）：13-16.

[9]GB/T 10623—2008力學性能試驗[S].北京：中國計量出版社，2008.

[10]常東華，周曉，魏佰友.應變硬化指數(shù)n值的測定與研究[J].理化檢驗：物理分冊，2006（5）：242-244.

[11]李成編.不銹鋼實用手冊[M].北京：中國科學技術出版社，2003：39-54.

[12]汪志福，孔韋海.應變速率對304奧氏體不銹鋼應變硬化行為的影響[J].壓力容器，2013，30（7）：6-11.

A test method in inspection for the tensile strain-hardening exponents（n-values）of metallic sheet materials

GAO Ji-tian，LI Qing-song，YANG Gong-xian，ZHANG Bang-qiang
（Materials Research Center，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

The test method for n-value of metallic materials under the condition of high temperature without corresponding testing standards，while the value is used largely at the latest generation steam turbine.The material 06Cr25Ni20 is used to machine the sealing part of the steam turbine and the n-Value of the material at room temperature and 620℃ need to be tested with the CMT 5105 testing machine.The result shows when number of points for calculating is more than 10，the n-Value and confidence interval is more accurate.

elastic and plastic mechanics；variance；tensile test；n-Value

TH873；TM311；TG115.5+2；TM930.2

：A

：1674-5124（2014）05-0036-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.009

2014-02-17；

：2014-05-05

高驥天（1990-），男，四川德陽市人，助理工程師，主要從事材料力學性能研究工作。