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        Lo、Le選取及試樣寬度對拉伸試驗數(shù)據(jù)的影響分析

        2018-07-26 01:47:04張永福程璐佳姜亮亮
        機電信息 2018年21期
        關(guān)鍵詞:標距塑性變形伸長率

        張永福 程璐佳 姜亮亮

        (1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院,上海200062;2.南亮壓力容器技術(shù)(上海)有限公司,上海201900)

        1 拉伸試驗理論基礎

        1.1 拉伸試驗原理

        拉伸試驗是測定力學性能應用最廣泛的試驗方法,試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力的全過程,它具有簡單易行、試樣便于制備等特點。從試驗結(jié)果中我們可以得到材料的力學性能指標,常用的有屈服強度、規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率等。拉伸試驗所得到的強度和塑性性能數(shù)據(jù),可用于原材料的驗收、產(chǎn)品質(zhì)量評定、焊接工藝評價、新材料研發(fā)、設計的選材等,在有些場合還可直接用拉伸試驗的結(jié)果作為判據(jù)。

        如圖1所示,在拉伸試驗中,我們可以看到試樣在慢慢被拉長,然后出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象,最后被拉斷。這個過程共包括6個階段,即彈性變形、滯彈性變形、屈服前微塑性變形、屈服變形、均勻塑性變形、局部塑性變形。試驗機上的記錄裝置以應力為縱坐標,應變?yōu)闄M坐標,記錄的應力—應變曲線如圖2所示。

        圖1 拉伸過程示意圖

        圖2 應力—應變曲線

        彈性變形階段(Oa),即伸長與載荷之間服從虎克定律,在卸除拉力后試樣可以恢復到原長。滯彈性變形階段(ab),此時試樣的變形仍然是彈性的,但應力和應變不再符合線性關(guān)系,此階段很短,一般不容易觀察到。屈服前微塑性變形階段(bc),試樣開始出現(xiàn)連續(xù)均勻的微小塑性變形,在卸除外力后試樣并不能恢復原長。屈服變形階段(cde),試樣產(chǎn)生了較大的塑性變形。均勻塑性變形階段(ef),屈服階段結(jié)束后,必須進一步增加外力才能使試樣繼續(xù)被拉長。局部塑性變形階段(fg),試樣在拉力的作用下,變形量增大,最終在某個截面產(chǎn)生了縮頸現(xiàn)象,直至被拉斷,在此過程中得到試樣的抗拉強度。

        1.2 影響拉伸試驗結(jié)果的主要因素

        影響拉伸試驗結(jié)果的因素主要有兩類:一是測量器具及拉伸試驗機、引伸計的精度,二是試樣形狀、尺寸、引伸計標距選用、試驗速度等。第一類影響因素可以通過誤差累計定量分析出來,第二類影響因素并不能定量表示。我們可以通過對比試驗,恰當?shù)剡x定試樣形狀,精確試樣尺寸等,將試驗誤差限制在一定范圍內(nèi)。本文主要討論試樣形狀即比例試樣與非比例試樣、試樣寬度以及引伸計標距選用對試驗結(jié)果的影響。

        2 試驗過程

        2.1 試樣選取及制備

        試樣材料取自30CrMo無縫鋼管調(diào)質(zhì)熱處理后試樣環(huán)上,共切取4個縱向弧形試樣編號為A-1、A-2、B-1、B-2。A、B兩組試樣取自相鄰位置,取樣位置如圖3所示,試樣A-1、B-1為比例試樣兼非比例試樣,如圖4所示,即在該兩支試樣上取兩組標距,一組為按比例試樣取原始標距,一組按非比例試樣取原始標距Lo=50 mm;A-2、B-2為比例試樣,如圖5所示。

        圖3 取樣位置圖

        2.2 試驗目的

        以本試驗從鋼管上取縱向弧形試樣為例,測得材料的Rp0.2、Rm、A、Z。進行3組對比,1組為比例試樣與非比例試驗作對比,即A-1、B-1試樣上的比例標距和非比例標距作對比,得出比例試樣與非比例試樣試驗結(jié)果具體差值;2組同為比例試樣,即

        圖4 試樣A-1、B-1

        圖5 試樣A-2、B-2

        A-1、B-1上取比例標距與A-2、B-2作對比,但兩組選用引伸計標距不同,從而得出引伸計標距對試驗結(jié)果的影響;3組同為比例試樣,采用不同試樣寬度,得出試樣寬度對試驗結(jié)果的影響。以此3組試樣作對比可更具體地分析出引伸計標距Le、原始標距Lo、試樣寬度對試驗結(jié)果的影響程度,供企業(yè)在進行產(chǎn)品拉伸試驗時作為參照,正確選擇試樣尺寸、引伸計標距,從而獲得更可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果。

        2.3 試樣尺寸測量

        試樣寬度測量采用校驗后的游標卡尺,試樣厚度測量采用檢驗后的壁厚千分尺,具體測得數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 試樣尺寸表

        2.4 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

        尺寸測量后按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》進行試驗操作,具體試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

        表2 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

        3 數(shù)據(jù)分析

        3.1 引伸計標距Le不同對Rp0.2的影響

        規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2即塑性延伸率為0.2%時對應的強度值,且延伸率只與引伸計標距Le有關(guān),與原始標距Lo無關(guān)。

        A-1、B-1拉伸試樣無論取固定標距Lo=50 mm還是取比例 標距Lo=5.65,根據(jù)引伸計 選取公 式Le≤0.9L(cLc≥Lo+1.5),該組引伸計的標距Le都取50 mm。A-2、B-2為比例試樣,Lo=5.65且Le=100 mm。從試驗結(jié)果看,兩組試驗Rp0.2數(shù)值差中包含由于A-2、B-2、試樣橫截面積增大導致強度值略有下降。Le從50 mm變?yōu)?00 mm后,Rp0.2最大差值下降0.76%,所以引伸計標距Le的不同,對Rp0.2的影響并不明顯。通過此次試驗可推論,只要引伸計的標距盡量覆蓋平行長度距離,所得Rp0.2的數(shù)據(jù)差值變化都不會太大。

        3.2 原始標距Lo對斷后伸長率的影響

        斷后伸長率=(Lu-Lo)/Lo,由此公式可得,斷后伸長率只與試樣原始標距Lo有關(guān)。當在A-1、B-1兩組試樣上取比例標距時,測得斷后生長率分別為20.05%、21.23%。當在A-1、B-1兩組試樣上取非比例標距即固定標距Lo=50 mm時,測得斷后伸長率分別為28.32%、28.60%。不難看出,采用非比例試樣測得的斷后伸長率遠大于比例試樣。且試樣的原始標距Lo值越小,所得斷后伸長率值越大。由于原始標距的不同對斷后伸長率的數(shù)據(jù)影響較大且不方便數(shù)據(jù)間的對比,建議試驗機構(gòu)或制造商在條件允許情況下盡量采用比例試樣,即原始標距取比例標距。

        3.3 試樣寬度對強度及斷后伸長率的影響

        上述兩組數(shù)據(jù)可得,試樣寬度越大則屈服強度及抗拉強度值越低,當寬度增加204%時,Rp0.2最高下降0.76%,抗拉強度最高下降1.2%,所以寬度對強度的影響不明顯。

        在A-1、B-1兩組試樣上取比例標距,與A-2、B-2的試驗結(jié)果進行比較。由于寬度增加,橫截面積增大,原始標距也隨著增大。但寬度增加204%后,得到的斷后伸長率的數(shù)值相差2.3%、2.1%。綜上,寬度對試驗結(jié)果Rp0.2及斷后伸長率A的影響都不顯著。

        4 結(jié)論

        通過對比試驗結(jié)果分析得出以下結(jié)論:比例試樣與非比例試樣在斷后伸長率上差距顯著,非比例試驗測得斷后伸長率合格,比例試驗測得數(shù)據(jù)不一定合格。為了嚴格試驗結(jié)果,建議試驗機構(gòu)或制造單位必須采用比例試樣,特殊情況采用非比例試樣時也應對斷后伸長率進行換算;在試驗中,同為比例試樣時,采用的引伸計標距不同并不絕對性地影響試驗結(jié)果;試樣寬度對試驗結(jié)果影響也不顯著。GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》中對管材縱向弧形試樣寬度做出明確規(guī)定,當鋼管外徑Do>200 mm時,試驗寬度取38 mm。但根據(jù)現(xiàn)實條件,對于壁厚較大的鋼管此試驗寬度并不可行,不僅拉伸最大力Fm接近試驗機的拉伸力值極限,且試驗尺寸較大,使得尺寸精度不能保證,在此情況下,試樣寬度可適當縮小。

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