分享：試樣類型和夾持方式對鎢銅合金拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響

鎢銅合金是使用粉末冶金工藝制造而成的高性能合金，也被稱為假合金[1]，其在航空、航天、軍工國防、核工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。這些領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性要求都非常高，不允許出現(xiàn)不合格品。原材料要經(jīng)過入廠復(fù)驗(yàn)，且入廠復(fù)驗(yàn)需符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)條件，最終才能被使用到產(chǎn)品上。然而，鎢銅合金的入廠復(fù)驗(yàn)時(shí)采用驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，其力學(xué)性能指標(biāo)往往很難達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。通過大量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)這可能與拉伸試樣的類型或夾持方式有關(guān)。鎢銅合金的制造工藝復(fù)雜，成本高，復(fù)購周期長。因此，選擇能快速、準(zhǔn)確地測試出鎢銅合金力學(xué)性能的試樣類型及夾持方式具有十分重要的意義。 

王曼娟等[3]研究表明，對于H型鋼，采用不同類型的試樣，測得的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度可能不同。王俊華等[4]研究表明，熱煨彎管拉伸試樣的尺寸對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有影響。孫宏[5]研究高級螺旋焊縫鋼管的力學(xué)性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣類型對其拉伸性能有影響。趙金蘭等[6]研究了X65/X70鋼大壁厚海底用直縫埋弧焊管的試樣類型對其拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)縱向圓棒試樣的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比明顯低于縱向板狀試樣。張建民等[7]對45#鋼的室溫拉伸性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明板狀試樣的抗拉強(qiáng)度與其試樣尺寸關(guān)系不大，而不同試樣類型測試出的屈服強(qiáng)度略有不同。曾贊喜等[8]對SS400鋼的不同類型試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)試樣帶頭或不帶頭對其力學(xué)性能影響不大。王勇等[9]對Q355鋼板進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果表明試樣的寬度對鋼板的屈服強(qiáng)度與斷后伸長率影響較大，而鋼板的抗拉強(qiáng)度基本不受試樣寬度的影響。劉宏偉等[10]研究了試樣類型對TC4絲材力學(xué)性能的影響，提到試樣的類型對其斷后伸長率影響較大。當(dāng)采用全截面試樣時(shí)，試樣在拉伸過程中容易被夾斷。此外，材料的蠕變性能也與試樣類型有關(guān)。莊法坤等[11]研究表明，不同試樣類型對材料的蠕變性能影響較大。 

在拉伸試驗(yàn)過程中，試樣類型決定試樣的夾持方式，試樣的夾持方式?jīng)Q定試驗(yàn)用的夾具。由GB/T 16865—2023 《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》可知，拉伸試驗(yàn)用夾具可選用楔形夾具、平推夾具、臺肩夾具、套環(huán)夾具、螺紋夾具、銷釘夾具等。 

金屬材料拉伸試樣的類型、尺寸、形狀等對其力學(xué)性能均會產(chǎn)生影響。此外，試樣類型的不同決定了其夾持方式的不同，最終可能會影響其在拉伸過程中斷裂的位置是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但目前極少有人研究不同試樣類型和夾持方式對鎢銅合金力學(xué)性能的影響。筆者利用現(xiàn)有條件，針對不同夾持方式，設(shè)計(jì)了3種不同類型的鎢銅合金試樣，根據(jù) GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試樣 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，研究了鎢銅合金試樣類型與其斷裂位置、力學(xué)性能之間的關(guān)系，探究出用于測試鎢銅合金室溫力學(xué)性能的最佳試樣類型，研究結(jié)果可提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確率。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1   試樣制備

某公司使用的鎢銅合金入廠復(fù)驗(yàn)技術(shù)要求為GJB 2299A—2005 《喉襯用鎢滲銅制品規(guī)范》，其中要求對鎢銅合金復(fù)驗(yàn)時(shí)，室溫抗拉強(qiáng)度必須不小于300 MPa。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021和GJB 2299A—2005，設(shè)計(jì)了A、B、C三種類型試樣，試樣A為單臺階直徑為10 mm的圓形棒狀試樣，試樣B為單臺階2×M10-6h (兩端均有外螺紋，螺紋直徑為10 mm,公差等級為6 h)圓形頭部帶螺紋的試樣，試樣C為雙臺階2×M10-6h圓形頭部帶螺紋的試樣，3種試樣的尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

圖  1  試樣A、B、C結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)設(shè)計(jì)的試樣類型，選取同一廠家、相同爐號、同一批次號,且擁有質(zhì)量證明文件的W-7Cu合金制作拉伸試樣，共加工18根拉伸試樣，每種類型試樣各6根。使用等離子光譜儀分析試樣的化學(xué)成分，驗(yàn)證本次拉伸試驗(yàn)所選擇材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 2299A—2005的要求。 

1.2   試驗(yàn)方法

使用AG-I 100KN型拉力機(jī)，其精度為0.5%，設(shè)備合格且在校驗(yàn)期內(nèi)，選用的夾具為楔形夾具和螺紋夾具，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程不施加預(yù)緊力，應(yīng)變速率恒定設(shè)置為0.002 s−1。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   試驗(yàn)過程試樣受力分析

單軸拉伸試驗(yàn)過程中，試樣的受力情況與其夾持方式有關(guān)。夾具分為楔形夾具、平推夾具、臺肩夾具、套環(huán)夾具、螺紋夾具、銷釘夾具等。根據(jù)夾具種類，可進(jìn)一步將試樣受力方式分為兩種，一種為僅受拉力，一種為受拉力與壓力。其中，楔形夾具與平推夾具拉伸試驗(yàn)過程中，試樣受拉力與壓力的共同作用；臺肩夾具、環(huán)套夾具、螺紋夾具、銷釘夾具僅受拉力作用。本試驗(yàn)選擇螺紋夾具與楔形夾具進(jìn)行分析，兩種夾具結(jié)構(gòu)及試樣拉伸過程的受力情況如圖2所示。 

圖  2  兩種夾具結(jié)構(gòu)及試樣拉伸過程的受力情況示意

由圖2可知：楔形夾具拉伸過程中，試樣會受到拉力與壓力的共同作用；使用螺紋夾具，試樣僅受拉力作用，試樣拉伸過程的受力不同，可能會導(dǎo)致拉伸試樣斷裂的位置不同；試樣A適用于楔形夾具，拉伸過程中試樣受到壓力與拉力的共同作用；試樣B、C適用于螺紋夾具，拉伸過程中試樣僅受拉力作用。 

2.2   試樣類型與斷裂位置

采用楔形夾具對試樣A進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，其在拉伸過程中全部斷裂在頭部。通過仔細(xì)觀察試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，試樣A斷裂在頭部的原因可能是其在拉伸過程中存在打滑現(xiàn)象。由于試樣A使用楔形夾具進(jìn)行夾持，而楔形夾具的夾持面為鋸齒面。當(dāng)試樣出現(xiàn)打滑后，拉力機(jī)便會在液壓作用下，通過楔形夾具進(jìn)一步增大橫向壓力，以保證試樣能持續(xù)拉伸。由于楔形夾具的夾持面為鋸齒狀，而鎢銅合金為脆性金屬，在橫向壓力急劇變化的過程中，試樣頭部可能會產(chǎn)生微裂紋，隨著拉伸過程的持續(xù)進(jìn)行，試樣頭部微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，試樣頭部的微裂紋擴(kuò)展速率大于試樣平行段的微裂紋擴(kuò)展速率，試樣頭部發(fā)生斷裂。 

采用螺紋夾具對試樣B進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣在拉伸過程中斷裂的位置可能是頭部，也可能是試樣平行段。試樣斷裂在頭部的原因除了試樣發(fā)生打滑外，還可能是在機(jī)械加工螺紋過程中，試樣的頭部積累了內(nèi)應(yīng)力或微裂紋[12]。當(dāng)試樣出現(xiàn)微裂紋時(shí)，試樣會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，內(nèi)應(yīng)力的持續(xù)積累以及微裂紋的加速擴(kuò)展，均可能會導(dǎo)致試樣斷裂。此外，試樣B拉伸過程的斷裂位置不同也進(jìn)一步說明了試樣B頭部和平行段的微裂紋擴(kuò)展速率不同。當(dāng)螺紋加工過程未形成微裂紋或試樣不存在打滑現(xiàn)象時(shí)，試樣平行段的微裂紋擴(kuò)展速率大于其頭部的微裂紋擴(kuò)展速率，試樣的斷裂位置在平行段；當(dāng)螺紋加工過程形成微裂紋或試樣存在打滑現(xiàn)象時(shí)，試樣頭部微裂紋的擴(kuò)展速率可能大于平行段的微裂紋擴(kuò)展速率，試樣可能會在頭部發(fā)生斷裂。 

通過試驗(yàn)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣B斷裂在頭部時(shí)，大多數(shù)試樣的平行段依然完好，無裂紋、裂縫存在，且試樣頭部的螺紋段也可保持部分完好，無裂紋、裂縫存在，可再次使用這些試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。這也表明，使用試樣B進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，能在一定程度上避免試樣頭部斷裂后重新取樣，提高了試驗(yàn)效率。 

采用螺紋夾具對試樣C進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在拉伸過程中，試樣全部斷裂在平行段。雖然試驗(yàn)過程也觀察到試樣出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，但是試樣并沒有斷裂在頭部,這可能是因?yàn)椴捎秒p臺階頭部帶螺紋的試樣后，試樣平行段的直徑減小，進(jìn)而減小了拉伸過程需要的最大載荷。當(dāng)試樣C發(fā)生打滑后，隨著拉力的繼續(xù)增大，試樣頭部螺紋的微裂紋擴(kuò)展速率依然小于平行段的微裂紋擴(kuò)展速率，導(dǎo)致試樣最終只會在平行段發(fā)生斷裂,表明使用試樣C進(jìn)行試驗(yàn)可以有效避免因再次利用試樣而引起的對試驗(yàn)結(jié)果誤判，試驗(yàn)的準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高。 

鎢銅合金拉伸過程中，3種試樣均出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，且打滑現(xiàn)象引起的試樣受力變化是導(dǎo)致鎢銅合金斷裂位置不同的主要原因。此外，使用螺紋夾具及試樣C開展拉伸試驗(yàn)，拉伸過程中試樣均斷裂在平行段，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對拉伸試樣斷裂位置的規(guī)定，提高了試驗(yàn)準(zhǔn)確率。 

2.3   試樣類型與力學(xué)性能的關(guān)系

鎢銅合金不同類型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知：不同類型試樣的抗拉強(qiáng)度不相同。試樣A斷裂位置為頭部，試樣B斷裂位置可能是頭部或平行段，試樣C全部斷裂在平行段。當(dāng)試樣斷裂在頭部時(shí)，使用式（1）計(jì)算材料的真實(shí)抗拉強(qiáng)度。 

式中：Rp為抗拉強(qiáng)度（實(shí)際最大值應(yīng)力）；F為最大載荷；S為斷裂位置試樣的面積。 

圖  3  鎢銅合金不同類型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同類型試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣A全部斷裂在頭部，其真實(shí)抗拉強(qiáng)度僅約為14 MPa，不符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 2299A—2005的要求（≥300 MPa），進(jìn)一步說明了采用試樣A開展鎢銅合金拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不具備真實(shí)性；對于試樣B，雖然斷裂在試樣頭部或平行段，試驗(yàn)結(jié)果可能表現(xiàn)為合格，但其并不是該批原材料的真實(shí)抗拉強(qiáng)度；試樣C全部斷裂在平行段，且試樣均符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 2299A—2005的要求，進(jìn)一步分析，試驗(yàn)結(jié)果與廠家質(zhì)保書提供的數(shù)據(jù)差距不大，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)的一致性也較好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具備真實(shí)性。 

試樣C拉伸過程中全部斷裂在試樣的平行段，這與試樣B可能會斷裂在頭部不同，主要原因是試樣C的平行段直徑較小，并不需要太大的載荷就可以使其斷裂。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，試樣B拉伸過程中的最大載荷約為試樣C的1.9~5.2倍。此外，對比3種類型的試樣可以發(fā)現(xiàn)，使用頭部帶螺紋的試樣可以有效避免因試樣打滑引起其斷裂位置不同所帶來的試驗(yàn)誤差。在拉伸過程中，拉力機(jī)對試樣B、C施加的力與試樣A不同。當(dāng)使用頭部帶螺紋的試樣時(shí)，拉力機(jī)的夾具對試樣只有縱向拉力，沒有橫向壓力；而使用不帶螺紋的試樣時(shí)，拉力機(jī)為了防止試樣打滑脫落，拉伸過程還會對試樣施加一個(gè)橫向壓力。 

2.4   試樣類型與復(fù)驗(yàn)合格率的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)試樣類型、斷裂位置與復(fù)驗(yàn)合格率的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣A的斷裂位置在頭部，全部不符合驗(yàn)收規(guī)范；試樣B有83.3%斷裂在頭部，但是斷裂在頭部的試樣中僅有20%符合驗(yàn)收規(guī)范，試樣B有16.7%斷裂在平行段，斷裂在平行段的試樣全部符合驗(yàn)收規(guī)范；試樣C斷裂位置在平行段，試樣全部符合驗(yàn)收規(guī)范。 

圖  4  試樣類型、斷裂位置與復(fù)驗(yàn)合格率的關(guān)系

3.   結(jié)論

單軸拉伸試樣的類型決定其夾持方式。根據(jù)不同夾持方式，設(shè)計(jì)了3中不同類型的拉伸試樣，對鎢銅合金開展力學(xué)性能測試，分析了試樣的夾持方式、類型與其斷裂位置、材料復(fù)驗(yàn)合格率之間的關(guān)系。試樣類型對抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果具有較大影響，原因是在拉伸過程中，試樣的斷裂位置不同。試樣A全部斷裂在頭部，且試驗(yàn)結(jié)果全部不合格；試樣B有83.3%斷裂在頭部，且斷裂在頭部的試樣中僅有20%合格；試樣C全部斷裂在平行段，且試驗(yàn)結(jié)果全部合格。 

對于鎢銅合金的室溫拉伸試驗(yàn)，使用雙臺階2×M10-6h類型的拉伸試樣可以避免因斷裂位置不同引起對試驗(yàn)結(jié)果的誤判，提高了試驗(yàn)準(zhǔn)確率，避免給供應(yīng)商造成不必要的負(fù)擔(dān)，節(jié)約了成本，保證了科研生產(chǎn)進(jìn)度。

文章來源——材料與測試網(wǎng)