分享：金屬材料高溫拉伸試驗過程要點分析

董明洪,黨恒耀,李 慧,葉宏德

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所,洛陽 ４７１０２３)

摘 要:高溫拉伸試驗是科學評價金屬材料高溫力學性能的一種試驗方法.相比室溫拉伸試驗,高溫拉伸試驗增加了溫度控制和測量系統(tǒng),試驗結(jié)果的影響因素也更加復雜.結(jié)合多年工作經(jīng)驗,對金屬材料高溫拉伸試驗試樣準備、試驗安裝、溫度控制以及拉伸過程中的關鍵要素進行了分析,旨在幫助檢測人員正確理解高溫拉伸試驗的要點,減小試驗誤差,提高試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性.

關鍵詞:金屬材料;高溫拉伸試驗;溫度控制

中圖分類號:TG１１５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３２６Ｇ０３

拉伸性能是金屬材料主要性能指標之一,其中屈服、抗拉強度等參數(shù)是金屬材料最具代表性的力學性能指標,也是工程設計、機械設計中應力計算的重要依據(jù).金屬材料拉伸試驗是獲取其力學性能指標最常用、最基本的手段,能夠科學、準確地反映材料本身所具有的屬性,具有可靠、快速、簡單等特點.

因此,拉伸試驗廣泛應用于板、帶、管、棒、絲、型材等冶金產(chǎn)品的檢驗及質(zhì)量評估中[１].

對于航空發(fā)動機、壓力容器、核電設備以及熱力管道等高 溫 環(huán) 境 下 使 用 的 金 屬 材 料,高 溫 拉 伸性能數(shù)據(jù)是最基礎和必不可少的考核數(shù)據(jù).影響金屬材料高 溫 拉 伸 試 驗 結(jié) 果 準 確 性 的 因 素 很 多,已 經(jīng) 有 人[２Ｇ５]研 究 過 試 樣、測 量 儀 器 與 設 備、夾 持方法、控制方法、拉伸速率、試驗機柔度、溫度及人員等因素對試驗結(jié)果的影響.為了最大限度降低這些因素對試驗結(jié)果的影響,我國于１９８４年發(fā)布了金屬材料高溫拉伸試驗第１版國家標準.截至目前,先 后 共 經(jīng) 歷 了 １９９５,２００６,２０１５ 版 ３ 次 修訂,最新版標準更名為 GB/T２２８．２－２０１５«金屬材料 拉 伸 試 驗 第 ２ 部 分:高 溫 試 驗 方 法 »,代 替GB/T４３３４－２００６«金 屬 材 料 高 溫 拉 伸 試 驗 方法».盡管現(xiàn)行標準對試驗方法進行了統(tǒng)一,然而要準確測試 材 料 的 高 溫 拉 伸 性 能,除 了 要 有 質(zhì) 量可靠的試驗機,還必須正確掌握試驗方法,盡可能降低各種不利因素的影響,一旦處理不當,就可能引入較大 誤 差.筆 者 從 試 驗 前 準 備、試 驗 安 裝 過程、溫度控制 及 試 驗 過 程 中 一 些 易 被 忽 視 的 細 節(jié)等方面對金屬材料高溫拉伸試驗過程進行了分析和討論,旨在有效減小試驗誤差,確保試驗數(shù)據(jù)的真實可靠.

１ 試驗前準備

金屬材料拉伸試驗采用的標準試樣是用樣坯經(jīng)機加工而成的,這一過程通常包括車、銑、刨、磨等工序.每一道機加工工序中均應控制好給進速度和冷卻速率,以防止因受熱或冷加工硬化而影響材料性能.對于加工好的標準試樣,首先要保證試樣尺寸及表面粗糙度符合標準要求,這是保證試驗結(jié)果準確性的基礎.然后根據(jù)試樣尺寸,確定并標記試樣標距.標記標距時,要考慮試樣材料的特性,如果材料是脆性的,需要用記號筆涂抹試樣表面,然后輕輕劃出標距線,選用的標記筆涂料應確保所作的標記在高溫試驗后仍能清晰可見.對于韌性材料,則需要在試樣表面打點做標記,這樣能夠保證標記在高溫受熱后仍清晰可見.

２ 試驗安裝

２．１ 試樣裝卡

在裝卡試樣前,應先檢查設備和夾具是否處于正常狀態(tài).試樣裝卡時最重要的是試樣的對中性,試樣的對中性直接影響試驗結(jié)果.如果拉伸試驗機上、下夾頭不能對中或者左右存在較大間隙,應借助設備的對中片對夾頭進行調(diào)節(jié)或者采用墊片填充間隙.對于圓棒試樣,推薦用螺紋連接方式裝夾試樣進行高溫拉伸試驗.對于不同厚度板材試樣,在沒有適合的夾具工裝時,建議采用墊片對間隙部分進行填充,以保證試樣的對中性,防止出現(xiàn)偏向加載情況.一旦出現(xiàn)加載力軸線與試樣中心線有較大偏離時,試樣會承受一定程度的附加彎曲應力.同時,也可能會導致試驗過程中試樣打滑或非正常斷裂.

２．２ 熱電偶安裝

對于高溫拉伸試驗,溫度傳感器是溫度監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部件,其控制精度會直接影響試驗結(jié)果.目前,使用最廣泛的是 K 型熱電偶,即由鎳鉻Ｇ鎳硅兩種合金通過焊接形成閉合回路,利用在高溫環(huán)境下,兩種材料之間存在特定的熱電勢差來測量溫度.K 型熱電偶 的 使 用 溫 度 范 圍 為 －２００~１３００ ℃.

依照標準要求,被測試試樣表面要求安裝熱電偶,主要是用于實時監(jiān)測試樣表面的溫度變化.熱電偶測量端溫度應保持恒定,偏差不應超過±０．５ ℃.按照標準規(guī)定,當試樣標距小于５０mm 時,應在試樣平行長度的兩端各綁一支熱電偶;當標距大于或等于５０mm時,應在試樣平行長度的兩端和中間各綁一支熱電偶.捆綁兩根熱電偶時,將試樣平行段分成３等份.捆綁３根熱電偶時,先在試樣中間捆綁一根,另外兩根分別捆綁在兩側(cè).熱電偶測量端應垂直于試樣表面捆綁,并與試樣表面有良好的接觸,應避免爐壁熱輻射對熱電偶的影響[６].

２．３ 引伸計安裝

高溫拉伸試驗通常使用機械式陶瓷桿高溫引伸計.引伸計應安裝在試樣的中間,刀口必須垂直于試樣表面,引伸計的兩根支桿要平行于試樣且在同一條線上,最后再調(diào)節(jié)引伸計的標距,保證引伸計的標距準確.由于引伸計支桿較長,卡持在試樣表面后容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象.為了避免打滑,試樣安裝好之后,先給試樣一個小的預加載力,然后再安裝引伸計.實際操作中,由于陶瓷引伸計本身質(zhì)量較大,安裝引伸計時應調(diào)整引伸計的固定裝置,使得引伸計上端支桿的夾持力大于下端的,這樣才能使引伸計達到受力平衡.

２．４ 高溫爐安裝

大多數(shù)用于金屬材料高溫拉伸試驗的高溫爐是豎式對開結(jié)構,為了保證爐內(nèi)垂直方向的爐溫均勻,往往采用３區(qū)域控制,即對爐體上、中、下電熱絲分別進行控溫,這樣可以在爐膛內(nèi)獲得更長的均熱帶.

所謂均熱帶,是指爐溫達到試驗設定溫度并穩(wěn)定后,在爐膛內(nèi)某一特定區(qū)域溫度波動不超過規(guī)定范圍,即均熱帶是溫度較為穩(wěn)定的區(qū)域.然而,由于存在“熱煙氣向上”效應,均熱帶并不在爐體幾何中心區(qū)域,而是爐體上端較下端更熱,即均熱帶處于爐體中心偏上一點的區(qū)域.有報道[７]發(fā)現(xiàn),非均熱帶區(qū)域的溫度波動非常大,有時波動會達到±(１０~１５)℃,這種波動超出了標準要求的范圍.因此,在試驗之前有必要對使用的高溫爐進行均熱帶的測量,以確定均熱帶的具體區(qū)域,并做好位置標記,有關均熱帶的測量方法,已有相關文獻報道[８].一旦確定了均熱帶區(qū)域,就可以調(diào)節(jié)試樣上下位置,確保試樣的工作段處于高溫爐的均熱帶區(qū)域中.

３ 溫度控制

高溫爐升溫過程通常具有熱慣性,即溫度控制有一定的滯后性,其原因是電熱絲等加熱元件的溫度變化速度要遠落后于熱電偶測溫的速度,致使高溫爐的實際溫度總是滯后于設定溫度,通常會有幾度到十幾度的偏差.為了更好地克服這一問題,推薦使用比例Ｇ積分Ｇ微分(PID)溫度控制方法[９].同時,隨著控溫技術的發(fā)展,新的溫度控制方法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及模糊 PID 控制等都為高溫爐的精確控溫帶來了可能.值得注意的是,由于爐體上、中、下３個區(qū)域散熱速率不同,要想實現(xiàn)試驗所需溫度的精確控制,該３個區(qū)域的加熱功率需要不同的設置.一般來說,上區(qū)域和下區(qū)域所需的加熱功率要比中間區(qū)域的稍大一些,原因是高溫爐上、下兩端與冷空氣之間的熱交換要大于中間區(qū)域的.

４ 拉伸過程

試樣加 載 過 程 中 溫 度 是 最 難 控 制 的 環(huán) 節(jié)[１０].試樣從受力開始直至屈服,由于處于彈性變形階段,試樣本身基本不發(fā)熱,在這個階段溫度容易控制.

然而從屈服變形階段開始,試樣發(fā)生塑性變形,造成試樣本身產(chǎn)生熱量,該現(xiàn)象可能導致試樣溫度上升幾十攝氏度(例如奧氏體不銹鋼),試樣本身溫度的升高,導致試驗溫度難以控制甚至超出規(guī)定的試驗溫度.因此,在拉伸初始加載階段,需要將試驗溫度控制在規(guī)定溫度范圍的負偏差,以防止后期溫度高出標準規(guī)定;同時,在加載過程中要時刻注意溫度變化情況,及時對加熱控制器進行必要的人工調(diào)節(jié).

５ 結(jié)束語

綜上所述,在金屬材料高溫拉伸試驗過程中,除了要注意室溫拉伸試驗的影響因素,也應正確認識高溫拉伸試驗的特殊操作細節(jié).在日常檢驗工作中,應善于積累和總結(jié)長期試驗過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和規(guī)律,不斷提高檢測結(jié)果的準確性,為科學研究和企業(yè)生產(chǎn)提供可靠有效的試驗數(shù)據(jù).

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 5期 > pp.326）