丁 陽,顧佳磊,謝曉宇

(上海電氣核電設(shè)備有限公司,上海 ２０１３０６)

摘 要:分別對(duì)有明顯屈服和無明顯屈服的材料進(jìn)行室溫、高溫拉伸試驗(yàn),對(duì)比了使用引伸計(jì)與未使用引伸計(jì)所測(cè)試的屈服強(qiáng)度的差異,同時(shí)結(jié)合力Ｇ變形曲線和力Ｇ位移曲線,探討了使用引伸計(jì)和未使用引伸計(jì)測(cè)得的屈服強(qiáng)度不一致的原因.結(jié)果表明:室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí),對(duì)于無明顯屈服的材料,裝夾引伸計(jì)測(cè)得的屈服強(qiáng)度小于未裝夾引伸計(jì)測(cè)得的;對(duì)于有明顯屈服的材料,裝夾引伸計(jì)與不裝夾引伸計(jì)測(cè)得的屈服強(qiáng)度相差不大;高溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí),無明顯屈服的材料和有明顯屈服的材料,在裝夾引伸計(jì)時(shí)測(cè)得的屈服強(qiáng)度均小于不裝夾引伸計(jì)時(shí)測(cè)得的.

關(guān)鍵詞:拉伸試驗(yàn);引伸計(jì);屈服強(qiáng)度;力Ｇ變形曲線;力Ｇ位移曲線

中圖分類號(hào):TG１１５．５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０１７５Ｇ０６

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

為了研究 有 連 續(xù) 屈 服 和 無 連 續(xù) 屈 服 的 材 料,以及當(dāng)試驗(yàn) 溫 度 變 化 時(shí),裝 夾 引 伸 計(jì) 對(duì) 屈 服 強(qiáng) 度測(cè)試值的 影 響,分 別 在 室 溫、高 溫 條 件 下,選 取 不同的 材 料 (有 明 顯 屈 服 階 段 的 合 金 焊 接 鋼 材 料UnionS３NiMo１/UV４２０TTR,無 明 顯 屈 服 階 段 的不銹鋼材料 ER３０８L 和鎳基材料 ERNiCrFeＧ７A),分別通過橫梁位移速率或引伸計(jì)進(jìn)行應(yīng)變速率控制的拉伸試驗(yàn).本次試驗(yàn)所選擇的材料在核電蒸發(fā)器和壓力 容 器 都 有 廣 泛 的 應(yīng) 用,其 化 學(xué) 成 分 見表１.

１．２ 試驗(yàn)設(shè)備

拉伸試驗(yàn)采用 WDWＧ２０E 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn) 機(jī),其 最 大 載 荷 為 ２００kN,引 伸 計(jì) 型 號(hào) 為３５４２Ｇ０５０MＧ０１０ＧST,量程為５mm,可用于測(cè)定室溫及高溫的屈服強(qiáng)度.

１．３ 試驗(yàn)方法 

加工一系列標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣,在室溫２３℃拉 伸 試 驗(yàn) 中,選 取 兩 種 不 同 的 材 料,分 別 是 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合 金 鋼 焊 材 和 ERNiCrFeＧ７A 鎳基材料,前者有明顯的屈服階段, 后者沒有明顯的屈服階段.每種材料分別取１０根 拉伸試樣,其中５根試樣在試驗(yàn)過程中裝夾引伸計(jì), 在力Ｇ變形曲線上讀取對(duì)應(yīng)的變形力Fp０．２;另５根試 樣在試驗(yàn)過程中不裝夾引伸計(jì),通過力Ｇ位移曲線作 圖法得到 位 移 力 Fp０．２,并 分 別 求 得 平 均 值 進(jìn) 行 對(duì) 比.有研究表明試驗(yàn)速率增加會(huì)使屈服強(qiáng)度和抗拉 強(qiáng)度的測(cè)定值增大[３],因此對(duì)于使用了引伸計(jì)的拉 伸試驗(yàn),其應(yīng)變?cè)囼?yàn)速率統(tǒng)一設(shè)置為０．０００２５s－１, 對(duì)于沒有使用引伸計(jì)的拉伸試驗(yàn),其拉伸速率統(tǒng)一 設(shè)置為０．９ mm??min－１,這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置可以保 證這幾組試驗(yàn)拉伸速率的一致性,從而排除拉伸速 率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.

上述兩種速率的設(shè)置參考了 最新的室溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) GB/T２２８．１－２０１０«金屬 材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試驗(yàn)方法»[４].隨后, 任選一條裝夾引伸計(jì)的拉伸曲線,通過分析力Ｇ變形 曲線以及力Ｇ位移曲線來找出兩者之間的規(guī)律,從而 分析變形力Fp０．２與位移力Fp０．２之間的關(guān)系. 在高溫拉伸試驗(yàn)中,試驗(yàn)溫度設(shè)置為核電蒸發(fā) 器及壓力容器常用的３５０ ℃,選取其他兩種不同的 材料,分別為 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合 金 鋼 焊材與 ER３０８L 不銹鋼材料,與室溫拉伸試驗(yàn)的過 程和分析方法相類似,每種材料分別?。保案煸? 樣,其中 ５ 根 試 樣 在 試 驗(yàn) 過 程 中 裝 夾 引 伸 計(jì),在 力Ｇ變形曲線上讀取對(duì)應(yīng)的變形力Fp０．２;另５根試樣 在試驗(yàn)過程中不裝夾引伸計(jì),通過力Ｇ位移曲線作圖 法得到位移力 Fp０．２,并分別求得平均值進(jìn)行對(duì)比. 高溫拉伸試驗(yàn)速率的設(shè)置,對(duì)于使用了引伸計(jì)的拉 伸試驗(yàn),其應(yīng)變?cè)囼?yàn)速率統(tǒng)一設(shè)置為０．０００２５s－１, 對(duì)于沒有使用引伸計(jì)的拉伸試驗(yàn),其拉伸速率統(tǒng)一 設(shè)置為０．９ mm??min－１,上述兩種速率的設(shè)置參考 了最新的高溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) GB/T２２８．２－２０１５«金 屬材料 拉伸試驗(yàn) 第２部分:高溫試驗(yàn)方法»[５]. 

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論 

２．１ 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

 ２．１．１ 無明顯屈服拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析 

表２為 ERNiCrFeＧ７A 鎳基材料裝夾引伸計(jì)的 拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的變形曲線上的變形力 Fp０．２ 和屈服強(qiáng)度 Rp０．２,表３為 ERNiCrFeＧ７A 鎳基材料 不裝夾引伸計(jì)的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)位移曲線上的 位移力 Fp０．２和屈服強(qiáng)度 Rp０．２.對(duì)比表２和表３的 結(jié)果,可見裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ變形曲線讀取變形 力Fp０．２的數(shù)值小于不裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ位移曲 線讀取位移力Fp０．２的數(shù)值,同時(shí)前者得到的屈服強(qiáng) 度Rp０．２也小于后者得到的屈服強(qiáng)度Rp０．２,兩者之間 相差大約１．１％. 選取表２和表３中帶∗的試樣作為代表進(jìn)行分 析,其對(duì)應(yīng)的力Ｇ變形和力Ｇ位移曲線分別如圖１和 圖２所示.其中力Ｇ變形曲線中的變形力Fp０．２直接 由 軟 件 讀 取,如 圖 １ 所 示, 變 形 力 Fp０．２ 為 ３９．５０８kN;力Ｇ位移曲線則是先將曲線圖打印出來,然后在０．２mm 位移處作一條與曲線彈性段平行的直線,其 與 曲 線 相 交 點(diǎn) 所 對(duì) 應(yīng) 的 力 即 為 位 移 力Fp０．２,結(jié)果為３９．９４kN.很明顯變形力Fp０．２＜位移力Fp０．２,兩者之間的差距大約為 １．１％,與表 ２ 和表３中的數(shù)據(jù)對(duì)比基本相符合.繼續(xù)觀察力Ｇ變形與力Ｇ位移曲線,可以發(fā)現(xiàn)變形曲線上 彈 性 段 起 點(diǎn)、終 點(diǎn) 所 對(duì) 應(yīng) 的 力 值 分 別 為８．２８２kN和２７．８１７kN,明顯要先于位移曲線上的彈性 段 起 點(diǎn)、終 點(diǎn) 所 對(duì) 應(yīng) 的 力 １０．５１７ kN 和３２．４９２kN.由于試驗(yàn)機(jī)具有一定的柔度和剛度,因此力Ｇ位移曲線上所對(duì)應(yīng)的位移其實(shí)是整臺(tái)設(shè)備共同的位移距離,而引伸計(jì)所探測(cè)到的變形則要比通過橫梁位移所測(cè)到的更為靈敏,其探測(cè)到的是試樣平行段的變形.而無論是力Ｇ變形曲線還是力Ｇ位移曲線,其本質(zhì)都是通過作彈性段的平行線來測(cè)得屈服強(qiáng)度的數(shù)值,前者是引伸計(jì)采集的數(shù)據(jù),而后者是儀器本身位移傳感器采集的數(shù)據(jù),因此在位移曲線上反映出來的就是平行線的斜率要小于變形曲線上的斜率,而對(duì)于無明顯屈服的材料來說,試驗(yàn)中的力是在不斷地增加的,畫平行線的位移量越大得到的屈服強(qiáng)度越高.

２．１．２ 有明顯屈服拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

表４為 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合金鋼焊材裝夾引伸計(jì)的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的變形曲線上的 變 形 力 Fp０．２ 和 屈 服 強(qiáng) 度 Rp０．２,表 ５ 為UnionS３NiMo１/UV４２０TTR合金鋼焊材不裝夾引伸計(jì)的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)位移曲線上的位移力Fp０．２和屈服強(qiáng)度Rp０．２.對(duì)比表４和表５的結(jié)果,裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ變形曲線讀取變形力 Fp０．２的數(shù)值與不裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ位移曲線讀取位移力Fp０．２的數(shù) 值 非 常 接 近,同 時(shí) 前 者 得 到 的 屈 服 強(qiáng) 度Rp０．２與后者得到的屈服強(qiáng)度Rp０．２也相差不多.選取表４和表５中帶∗的試樣作為代表進(jìn)行分析,其對(duì)應(yīng)的力Ｇ變形以及力Ｇ位移曲線分別如圖 ３和圖 ４ 所 示. 根 據(jù) 力Ｇ變 形 曲 線 變 形 力 Fp０．２ 為７０．３３６kN,而根據(jù)力Ｇ位移曲線所作出的平行于彈性段的位移畫圖法的位移力 Fp０．２ 為７０．３８６kN,變形力Fp０．２ 與位移力 Fp０．２ 幾乎相等.由于對(duì)明顯屈服的材料來說,彈性段的直線段相對(duì)來說變化很小,即其斜率變化不大,因此盡管與無屈服材料的彈性段起點(diǎn)、終點(diǎn)情況相類似,也存在力Ｇ變形曲線上的彈性段起點(diǎn)、終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力值要早于力Ｇ位移曲線度來說,前后的位置差異對(duì)于屈服強(qiáng)度的選點(diǎn)也幾乎沒有任何影響,因此對(duì)于不連續(xù)屈服的材料來說,可以認(rèn)為通過引伸計(jì)力Ｇ變形曲線以及力Ｇ位移曲線所得到的屈服強(qiáng)度相差無幾.

２．２ 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

２．２．１ 無明顯屈服拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

表６為 ER３０８L不銹鋼材料裝夾引伸計(jì)在高溫下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的變形曲線上的變形力Fp０．２和屈服強(qiáng)度Rp０．２,表７為 ER３０８L 不銹鋼材料不裝夾引伸計(jì)在高溫下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)位移曲線上的位移力 Fp０．２ 和屈服強(qiáng)度 Rp０．２.對(duì)比表 ６和表７的結(jié)果,裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ變形曲線讀取變形力Fp０．２的數(shù)值小于不裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ位移曲線來讀取位移力Fp０．２的數(shù)值,同時(shí)前者的屈服強(qiáng)度Rp０．２也小于后者的屈服強(qiáng)度Rp０．２,兩者之間相差大約０．９％

選取表６和表７中帶∗的試樣作為代表進(jìn)行分析,其相應(yīng)的力Ｇ變形以及力Ｇ位移曲線分別如圖 ５和圖６所示.根據(jù)力Ｇ變形曲線即引伸計(jì)選點(diǎn)的變形力Fp０．２為２２．４０９kN,而根據(jù)力Ｇ位移曲線所作出的 平 行 與 彈 性 段 的 位 移 畫 圖 法 的 位 移 力Fp０．２ 為２２．６３６kN,兩者相差約１．０％,與室溫情況相類似,也是由于彈性段做平行線的斜率較小,采用０．２mm位移量位移曲線中位移力 Fp０．２ 大于變形曲線中變形力Fp０．２.

２．２．２ 有明顯屈服拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

表８為 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合金鋼焊材裝夾引伸計(jì)在高溫下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的變形曲線上的變形力 Fp０．２ 和屈服強(qiáng)度 Rp０．２,表 ９ 為UnionS３NiMo１/UV４２０TTR合金鋼焊材不裝夾引伸計(jì)在高溫下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)位移曲線上的位移力 Fp０．２和屈服強(qiáng)度 Rp０．２.對(duì)比表８和表９的結(jié)果,裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ變形曲線來讀取變形力Fp０．２的數(shù)值小于不裝夾引伸計(jì)并通過力Ｇ位移曲線來讀取位 移 力 Fp０．２ 的 數(shù) 值,同 時(shí) 前 者 的 屈 服 強(qiáng) 度Rp０．２也小于后者的屈服強(qiáng)度Rp０．２,兩者之間相差大約０．５％.

選取表８和表９中帶∗的試樣作為代表進(jìn)行分析,其相應(yīng)的力Ｇ變形以及力Ｇ位移曲線分別如圖 ７和圖８所示.根據(jù)力Ｇ變形曲線即引伸計(jì)選點(diǎn)的變形力Fp０．２為６０．７５５kN,而根據(jù)力Ｇ位移曲線所作出的平行 與 彈 性 段 的 位 移 畫 圖 法 的 位 移 力 Fp０．２ 為６１．０４６kN,兩者相差約０．５％,與表８和表９中的數(shù)據(jù)相吻合.

在高溫下位移力Fp０．２與變形力Fp０．２相差很小,之所以會(huì)產(chǎn)生這種截然相反的情況,是因?yàn)楫?dāng)合金鋼材料加熱到３５０ ℃以后,材料的某些特性發(fā)生了變化,從而使得原來明顯的屈服階段消失,轉(zhuǎn)而變成類似于鎳基以及不銹鋼材料的形式,此時(shí)的變形力Fp０．２與位移力 Fp０．２ 之間的關(guān)系不能套用室溫下的情況,彈性段做平行線的斜率較小,導(dǎo)致與曲線相交點(diǎn)更靠后,從而導(dǎo)致了位移曲線中的位移力Fp０．２大于變形曲線中的變形力Fp０．２.

３ 結(jié)論

(１)對(duì) 于 室 溫 拉 伸 試 驗(yàn),通 過 分 析 力Ｇ變 形 與力Ｇ位移曲線,發(fā)現(xiàn)由于引伸計(jì)所探測(cè)到的變形比通過橫梁位移所測(cè)到的更為靈敏,其探測(cè)到的是試樣平行段 的 變 形,導(dǎo) 致 無 明 顯 屈 服 材 料 的 變 形 力Fp０．２＜位移力Fp０．２,故由此計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度亦如此;而對(duì)于有明顯屈服的材料,由于當(dāng)力值達(dá)到上屈服點(diǎn)之后,開始緩慢地下降,在下降一段之后力值有一段保持不變的過程,因此平行線距離對(duì)于強(qiáng)度取點(diǎn)的影響非常小,故變形力Fp０．２與位移力Fp０．２相差很小,可忽略不計(jì),兩種方法測(cè)得的屈服強(qiáng)度亦差別不大.

(２)對(duì) 于 高 溫 拉 伸 試 驗(yàn),通 過 分 析 力Ｇ變 形 與力Ｇ位移曲線,發(fā)現(xiàn)對(duì)于無明顯屈服的材料,類似于室溫拉伸的原理,也是由于彈性段做平行線的斜率較小,從 而 導(dǎo) 致 與 曲 線 的 相 交 點(diǎn) 更 靠 后,變 形 力Fp０．２＜位移力Fp０．２,故由此計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度亦如此;而對(duì)于有明顯屈服的材料,由于在高溫試驗(yàn)中,原來明顯的屈服階段消失,轉(zhuǎn)而變成類似于鎳基

以及不銹鋼材料的形式,類比無明顯屈服材料的原理,導(dǎo)致變形力 Fp０．２＜位移力 Fp０．２,相應(yīng)地由此計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度亦前者小于后者.

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2018年 > 3期 > pp.175）