分析金屬材料高溫拉伸試驗過程的要點

高溫拉伸試驗是科學(xué)評價金屬材料高溫力學(xué)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(fù)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(zhǔn)備、試驗安裝、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的要點,減小試驗誤差,提高試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

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、機(jī)械設(shè)計中應(yīng)力計算的重要依據(jù).金屬材料拉伸試驗是獲取其力學(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。

因此，拉伸試驗廣泛應(yīng)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。

對于航空發(fā)動機(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).影響金屬材料高溫伸試驗結(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、試驗機(jī)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(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(biāo)準(zhǔn)對試驗方法進(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)量可靠的試驗機(jī),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(dāng),就可能引入較大誤差。筆者從試驗 前準(zhǔn)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(xì)節(jié)等方面對金屬材料高溫拉伸試驗過程進(jìn)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(zhǔn)備

金屬材料拉伸試驗采用的標(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,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(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(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.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(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,試樣會承受一定程度的附加彎曲應(yīng)力.同時,也可能會導(dǎo)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)要求,被測試試樣表面要求安裝熱電偶,主要是用于實時監(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,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,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,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(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 引伸計安裝

高溫拉伸試驗通常使用機(jī)械式陶瓷桿高溫引伸計.引伸計應(yīng)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(biāo)距,保證引伸計的標(biāo)距準(zhǔn)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(yù)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(yīng)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(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(dá)到±(10~15)℃,這種波動超出了標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍.因此,在試驗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,致使高溫爐的實際溫度總是滯后于設(shè)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(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(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)[，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(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(fù)偏差,以防止后期溫度高出標(biāo)準(zhǔn)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(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過程中,除了要注意室溫拉伸試驗的影響因素,也應(yīng)正確認(rèn)識高溫拉伸試驗的特殊操作細(xì)節(jié).在日常檢驗工作中,應(yīng)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(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數(shù)據(jù)。