董明洪,黨恒耀,李 慧,葉宏德

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,洛陽 ４７１０２３)

摘 要:高溫拉伸試驗(yàn)是科學(xué)評價(jià)金屬材料高溫力學(xué)性能的一種試驗(yàn)方法.相比室溫拉伸試驗(yàn),高溫拉伸試驗(yàn)增加了溫度控制和測量系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果的影響因素也更加復(fù)雜.結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn),對金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)試樣準(zhǔn)備、試驗(yàn)安裝、溫度控制以及拉伸過程中的關(guān)鍵要素進(jìn)行了分析,旨在幫助檢測人員正確理解高溫拉伸試驗(yàn)的要點(diǎn),減小試驗(yàn)誤差,提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性.

關(guān)鍵詞:金屬材料;高溫拉伸試驗(yàn);溫度控制

中圖分類號:TG１１５ 文獻(xiàn)標(biāo)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(biāo)之一,其中屈服、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)是金屬材料最具代表性的力學(xué)性能指標(biāo),也是工程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)力計(jì)算的重要依據(jù).金屬材料拉伸試驗(yàn)是獲取其力學(xué)性能指標(biāo)最常用、最基本的手段,能夠科學(xué)、準(zhǔn)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(diǎn).

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

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

１ 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

金屬材料拉伸試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)試樣是用樣坯經(jīng)機(jī)加工而成的,這一過程通常包括車、銑、刨、磨等工序.每一道機(jī)加工工序中均應(yīng)控制好給進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)試樣,首先要保證試樣尺寸及表面粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)要求,這是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ).然后根據(jù)試樣尺寸,確定并標(biāo)記試樣標(biāo)距.標(biāo)記標(biāo)距時(shí),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(biāo)距線,選用的標(biāo)記筆涂料應(yīng)確保所作的標(biāo)記在高溫試驗(yàn)后仍能清晰可見.對于韌性材料,則需要在試樣表面打點(diǎn)做標(biāo)記,這樣能夠保證標(biāo)記在高溫受熱后仍清晰可見.

２ 試驗(yàn)安裝

２．１ 試樣裝卡

在裝卡試樣前,應(yīng)先檢查設(shè)備和夾具是否處于正常狀態(tài).試樣裝卡時(shí)最重要的是試樣的對中性,試樣的對中性直接影響試驗(yàn)結(jié)果.如果拉伸試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭不能對中或者左右存在較大間隙,應(yīng)借助設(shè)備的對中片對夾頭進(jìn)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(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn).對于不同厚度板材試樣,在沒有適合的夾具工裝時(shí),建議采用墊片對間隙部分進(jìn)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(shí),試樣會(huì)承受一定程度的附加彎曲應(yīng)力.同時(shí),也可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)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(yàn),溫度傳感器是溫度監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其控制精度會(huì)直接影響試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求,被測試試樣表面要求安裝熱電偶,主要是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣表面的溫度變化.熱電偶測量端溫度應(yīng)保持恒定,偏差不應(yīng)超過±０．５ ℃.按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)試樣標(biāo)距小于５０mm 時(shí),應(yīng)在試樣平行長度的兩端各綁一支熱電偶;當(dāng)標(biāo)距大于或等于５０mm時(shí),應(yīng)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(shí),將試樣平行段分成３等份.捆綁３根熱電偶時(shí),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(yīng)垂直于試樣表面捆綁,并與試樣表面有良好的接觸,應(yīng)避免爐壁熱輻射對熱電偶的影響[６].

２．３ 引伸計(jì)安裝

高溫拉伸試驗(yàn)通常使用機(jī)械式陶瓷桿高溫引伸計(jì).引伸計(jì)應(yīng)安裝在試樣的中間,刀口必須垂直于試樣表面,引伸計(jì)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(jì)的標(biāo)距,保證引伸計(jì)的標(biāo)距準(zhǔn)確.由于引伸計(jì)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(gè)小的預(yù)加載力,然后再安裝引伸計(jì).實(shí)際操作中,由于陶瓷引伸計(jì)本身質(zhì)量較大,安裝引伸計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整引伸計(jì)的固定裝置,使得引伸計(jì)上端支桿的夾持力大于下端的,這樣才能使引伸計(jì)達(dá)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(yàn)的高溫爐是豎式對開結(jié)構(gòu),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(jìn)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(dá)到試驗(yàn)設(shè)定溫度并穩(wěn)定后,在爐膛內(nèi)某一特定區(qū)域溫度波動(dòng)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(yīng),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(diǎn)的區(qū)域.有報(bào)道[７]發(fā)現(xiàn),非均熱帶區(qū)域的溫度波動(dòng)非常大,有時(shí)波動(dòng)會(huì)達(dá)到±(１０~１５)℃,這種波動(dòng)超出了標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍.因此,在試驗(yàn)之前有必要對使用的高溫爐進(jìn)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(biāo)記,有關(guān)均熱帶的測量方法,已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(yuǎn)落后于熱電偶測溫的速度,致使高溫爐的實(shí)際溫度總是滯后于設(shè)定溫度,通常會(huì)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(shí),隨著控溫技術(shù)的發(fā)展,新的溫度控制方法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(gè)區(qū)域散熱速率不同,要想實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需溫度的精確控制,該３個(gè)區(qū)域的加熱功率需要不同的設(shè)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(gè)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(dǎo)致試樣溫度上升幾十?dāng)z氏度(例如奧氏體不銹鋼),試樣本身溫度的升高,導(dǎo)致試驗(yàn)溫度難以控制甚至超出規(guī)定的試驗(yàn)溫度.因此,在拉伸初始加載階段,需要將試驗(yàn)溫度控制在規(guī)定溫度范圍的負(fù)偏差,以防止后期溫度高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定;同時(shí),在加載過程中要時(shí)刻注意溫度變化情況,及時(shí)對加熱控制器進(jìn)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(yàn)過程中,除了要注意室溫拉伸試驗(yàn)的影響因素,也應(yīng)正確認(rèn)識高溫拉伸試驗(yàn)的特殊操作細(xì)節(jié).在日常檢驗(yàn)工作中,應(yīng)善于積累和總結(jié)長期試驗(yàn)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(zhǔn)確性,為科學(xué)研究和企業(yè)生產(chǎn)提供可靠有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

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