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:分別對有明顯屈服和無明顯屈服的材料進行室溫、高溫拉伸試驗,對比了使用引伸計與未使用引伸計所測試的屈服強度的差異,同時結(jié)合力Ｇ變形曲線和力Ｇ位移曲線,探討了使用引伸計和未使用引伸計測得的屈服強度不一致的原因.結(jié)果表明:室溫拉伸實驗時,對于無明顯屈服的材料,裝夾引伸計測得的屈服強度小于未裝夾引伸計測得的;對于有明顯屈服的材料,裝夾引伸計與不裝夾引伸計測得的屈服強度相差不大;高溫拉伸實驗時,無明顯屈服的材料和有明顯屈服的材料,在裝夾引伸計時測得的屈服強度均小于不裝夾引伸計時測得的.

關(guān)鍵詞:拉伸試驗;引伸計;屈服強度;力Ｇ變形曲線;力Ｇ位移曲線

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

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試驗材料

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 溫 度 變 化 時,裝 夾 引 伸 計 對 屈 服 強 度測試值的 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進行應(yīng)變速率控制的拉伸試驗.本次試驗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 試驗設(shè)備

拉伸試驗采用 WDWＧ２０E 型微機控制電子萬能試驗 機,其 最 大 載 荷 為 ２００kN,引 伸 計 型 號 為３５４２Ｇ０５０MＧ０１０ＧST,量程為５mm,可用于測定室溫及高溫的屈服強度.

１．３ 試驗方法

加工一系列標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣,在室溫２３℃拉 伸 試 驗 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?。保案? 拉伸試樣,其中５根試樣在試驗過程中裝夾引伸計, 在力Ｇ變形曲線上讀取對應(yīng)的變形力Fp０．２;另５根試 樣在試驗過程中不裝夾引伸計,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 行 對 比.有研究表明試驗速率增加會使屈服強度和抗拉 強度的測定值增大[３],因此對于使用了引伸計的拉 伸試驗,其應(yīng)變試驗速率統(tǒng)一設(shè)置為０．０００２５s－１, 對于沒有使用引伸計的拉伸試驗,其拉伸速率統(tǒng)一 設(shè)置為０．９ mm??min－１,這兩個參數(shù)的設(shè)置可以保 證這幾組試驗拉伸速率的一致性,從而排除拉伸速 率對試驗結(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標(biāo)準(zhǔn) GB/T２２８．１－２０１０«金屬 材料 拉伸試驗 第１部分:室溫試驗方法»[４].隨后, 任選一條裝夾引伸計的拉伸曲線,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. 在高溫拉伸試驗中,試驗溫度設(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 過 程 中 裝 夾 引 伸 計,在 力Ｇ變形曲線上讀取對應(yīng)的變形力Fp０．２;另５根試樣 在試驗過程中不裝夾引伸計,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行對比. 高溫拉伸試驗速率的設(shè)置,對于使用了引伸計的拉 伸試驗,其應(yīng)變試驗速率統(tǒng)一設(shè)置為０．０００２５s－１, 對于沒有使用引伸計的拉伸試驗,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標(biāo)準(zhǔn) GB/T２２８．２－２０１５«金 屬材料 拉伸試驗 第２部分:高溫試驗方法»[５].

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 室溫拉伸試驗結(jié)果分析

２．１．１ 無明顯屈服拉伸試驗結(jié)果分析

表２為 ERNiCrFeＧ７A 鎳基材料裝夾引伸計的 拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)的變形曲線上的變形力 Fp０．２ 和屈服強度 Rp０．２,表３為 ERNiCrFeＧ７A 鎳基材料 不裝夾引伸計的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)位移曲線上的 位移力 Fp０．２和屈服強度 Rp０．２.對比表２和表３的 結(jié)果,可見裝夾引伸計并通過力Ｇ變形曲線讀取變形 力Fp０．２的數(shù)值小于不裝夾引伸計并通過力Ｇ位移曲 線讀取位移力Fp０．２的數(shù)值,同時前者得到的屈服強 度Rp０．２也小于后者得到的屈服強度Rp０．２,兩者之間 相差大約１．１％. 選取表２和表３中帶∗的試樣作為代表進行分 析,其對應(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 所 對 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、終 點 所 對 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、終 點 所 對 應(yīng) 的 力 １０．５１７ kN 和３２．４９２kN.由于試驗機具有一定的柔度和剛度,因此力Ｇ位移曲線上所對應(yīng)的位移其實是整臺設(shè)備共同的位移距離,而引伸計所探測到的變形則要比通過橫梁位移所測到的更為靈敏,其探測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得屈服強度的數(shù)值,前者是引伸計采集的數(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,而對于無明顯屈服的材料來說,試驗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度越高.

２．１．２ 有明顯屈服拉伸試驗結(jié)果分析

表４為 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合金鋼焊材裝夾引伸計的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)的變形曲線上的 變 形 力 Fp０．２ 和 屈 服 強 度 Rp０．２,表 ５ 為UnionS３NiMo１/UV４２０TTR合金鋼焊材不裝夾引伸計的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)位移曲線上的位移力Fp０．２和屈服強度Rp０．２.對比表４和表５的結(jié)果,裝夾引伸計并通過力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 前 者 得 到 的 屈 服 強 度Rp０．２與后者得到的屈服強度Rp０．２也相差不多.選取表４和表５中帶∗的試樣作為代表進行分析,其對應(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.由于對明顯屈服的材料來說,彈性段的直線段相對來說變化很小,即其斜率變化不大,因此盡管與無屈服材料的彈性段起點、終點情況相類似,也存在力Ｇ變形曲線上的彈性段起點、終點所對應(yīng)的力值要早于力Ｇ位移曲線度來說,前后的位置差異對于屈服強度的選點也幾乎沒有任何影響,因此對于不連續(xù)屈服的材料來說,可以認為通過引伸計力Ｇ變形曲線以及力Ｇ位移曲線所得到的屈服強度相差無幾.

２．２ 高溫拉伸試驗結(jié)果分析

２．２．１ 無明顯屈服拉伸試驗結(jié)果分析

表６為 ER３０８L不銹鋼材料裝夾引伸計在高溫下的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)的變形曲線上的變形力Fp０．２和屈服強度Rp０．２,表７為 ER３０８L 不銹鋼材料不裝夾引伸計在高溫下的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)位移曲線上的位移力 Fp０．２ 和屈服強度 Rp０．２.對比表 ６和表７的結(jié)果,裝夾引伸計并通過力Ｇ變形曲線讀取變形力Fp０．２的數(shù)值小于不裝夾引伸計并通過力Ｇ位移曲線來讀取位移力Fp０．２的數(shù)值,同時前者的屈服強度Rp０．２也小于后者的屈服強度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變形曲線即引伸計選點的變形力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結(jié)果分析

表８為 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合金鋼焊材裝夾引伸計在高溫下的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)的變形曲線上的變形力 Fp０．２ 和屈服強度 Rp０．２,表 ９ 為UnionS３NiMo１/UV４２０TTR合金鋼焊材不裝夾引伸計在高溫下的拉伸試驗結(jié)果所對應(yīng)位移曲線上的位移力 Fp０．２和屈服強度 Rp０．２.對比表８和表９的結(jié)果,裝夾引伸計并通過力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并通過力Ｇ位移曲線來讀取位 移 力 Fp０．２ 的 數(shù) 值,同 時 前 者 的 屈 服 強 度Rp０．２也小于后者的屈服強度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變形曲線即引伸計選點的變形力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,之所以會產(chǎn)生這種截然相反的情況,是因為當(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 于 室 溫 拉 伸 試 驗,通 過 分 析 力Ｇ變 形 與力Ｇ位移曲線,發(fā)現(xiàn)由于引伸計所探測到的變形比通過橫梁位移所測到的更為靈敏,其探測到的是試樣平行段 的 變 形,導(dǎo) 致 無 明 顯 屈 服 材 料 的 變 形 力Fp０．２＜位移力Fp０．２,故由此計算得到的屈服強度亦如此;而對于有明顯屈服的材料,由于當(dāng)力值達到上屈服點之后,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,因此平行線距離對于強度取點的影響非常小,故變形力Fp０．２與位移力Fp０．２相差很小,可忽略不計,兩種方法測得的屈服強度亦差別不大.

(２)對 于 高 溫 拉 伸 試 驗,通 過 分 析 力Ｇ變 形 與力Ｇ位移曲線,發(fā)現(xiàn)對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 更 靠 后,變 形 力Fp０．２＜位移力Fp０．２,故由此計算得到的屈服強度亦如此;而對于有明顯屈服的材料,由于在高溫試驗中,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)地由此計算得到的屈服強度亦前者小于后者.

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