低合金Cr-Ni-Mo鋼規定比例極限與規定非比例延伸強度關系的研究

梁波 許梅 李萍 張宏

(內蒙古北方重工業集團有限公司計量檢測技術研究院，包頭 014033)

多年以來，國際上通常用材料力學性能指標 “規定比例極限”作為一些產品設計和驗收的主要參數，到了上世紀70年代，隨著科學技術水平的發展和測試手段的不斷完善與提高，多數發達國家已不再采用這一概念，取而代之的是用規定一定的非比例延伸率對應的應力，即規定非比例延伸強度作為“規定比例極限”。如美國頒布的標準ASTM E21建議，用非比例延伸率達0.02%時的應力作為規定比例極限，原蘇聯標準госг1497-1973規定非比例延伸率達0.05%時的應力作為彈性極限[1]。

為了與國際慣例接軌，我國于1987年頒布了GB 228-1987《金屬拉伸試驗方法》，該標準參照國際標準ISO 6892-1984《金屬材料-拉伸試驗》修訂。GB 228-1987取消了規定比例極限的測定，建議在有關標準或協議進行修訂時，將“規定比例極限”改為相應的規定非比例延伸強度[2]，但沒有規定非比例延伸率的具體數值。

我國的兵器行業低合金Cr-Ni-Mo鋼一直采用比例極限作為產品設計和驗收技術條件，而當今國際上非比例延伸強度已被日益廣泛地應用(如美國該類材料產品驗收的技術條件為非比例率達0.1% 時的應力σ0.1)，比例極限的測試方法在國家標準中已被取消，但由于我國沒有該類材料比例極限和非比例延伸率之間對應關系的實驗數據和相關資料，迄今為止該類材料產品仍然采用比例極限作為產品驗收的技術條件。

筆者建立了該類材料產品規定比例極限與規定非比例延伸強度的關系，即比例極限對應的非比例延伸率數值，最終用規定非比例延伸強度來代替比例極限。

1 實驗材料和方法

1.1 鋼種選擇

該實驗用的鋼種為：35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo。每個鋼種的化學成分見表1。

表1 3個鋼種的化學成分 %

1.2 加工試樣及熱處理

(1)每個鋼種加工35個試樣毛坯，試樣毛坯尺寸為20 mm×20 mm×90 mm。

(2)3個鋼種的熱處理工藝：正火溫度為870℃，保溫40 min,空氣冷卻至室溫；淬火溫度為850℃，保溫40 min，油冷至室溫；回火溫度分別為500、520、540、560、580、600、620℃，保溫60 min，空氣冷卻至室溫。每個回火溫度取5個試樣毛坯。

(3)將試樣毛坯按上述關于進行熱處理，熱處理后按GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》標準加工成R5標準試樣。

1.3 測量規定比例極限σp50對應的非比例延伸率εp50

(1)測量不同回火溫度下3個鋼種的規定比例極限σp50對應的非比例延伸率εp50。

(2)分別測量規定比例極限σp50和規定比例極限對應的非比例延伸率εp50，力-變形曲線見圖1。

規定比例極限σp50：試樣拉伸到拉伸曲線上的一定試驗力FP點時，試驗力與伸長間已不成直線關系而產生規定程度的偏差，即通過該點的切線與實驗力軸間夾角的正切值已較其在彈性直線部分之值增加50%(tgθ2=2tgθ1)，此點對應之應力即為所試材料的規定比例極限[3]。

圖1 力-變形曲線

規定比例極限按式(1)計算：

(1)

式中：σp50——規定比例極限，N/mm2；

FP——規定比例極限對應的試驗力，N；

S0——原始橫截面積，mm2。

規定比例極限σp50對應的非比例延伸率按式(2)計算：

(2)

式中：εp50——規定比例極限σp50對應的非比例延伸率，%；

Lp——規定比例極限σp50對應的非比例變形量，mm；

Le——引伸計標距，mm。

2 實驗結果及數理統計

利用35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo鋼進行實驗，不同回火溫度的規定比例極限σp50對應非比例延伸率εp50測量結果見表2，規定比例極限對應非比例延伸率εp50分布頻率圖見圖2-4。規定比例極限對應非比例延伸率εp50正態性檢驗：按照GB/T 4882-2001《數據的統計處理和解釋 正態性檢驗》對測量的規定比例極限對應非比例延伸率εp50值進行正態性檢驗，根據測量結果樣本數量(8≤n≤50)和選擇無方向檢驗中的夏皮洛-威爾克(Shapiro-Wilk)檢驗[4]。

表2 不同回火溫度的測量結果

圖2 35CrNi3MoV鋼εp50分布頻率圖

圖3 35CrNi3Mo鋼εp50分布頻率圖

圖4 35CrNi1Mo鋼εp50分布頻率圖

2.1 35CrNi3MoV鋼試驗結果

規定比例極限對應非比例延伸率εp50的測量值夏皮洛-威爾克檢驗,按測量值的大小，從小到大排列[5]：0.00 0152(5個)<0.000 16(2個)<0.000 168(4個)<0.000 176(11個)<0.000 184(3個)<0.000 192(5個)<0.000 2(4個)<0.000216(1個)。

查GB/T 4882-2001表10,當n=35時αk值分別為α1=0.409 8，α2=0.283 4，α3=0.242 7，α4=0.212 7，α5=0.188 3，α6=0.167 3，α7=0.148 7，α8=0.131 7，α9=0.116 0，α10=0.101 3，α11=0.087 3，α12=0.073 9，α13=0.061 0，α14=0.048 4，α15=0.036 1，α16=0.023 9，α17=0.011 9。

利用公式(3)計算檢驗統計量W：

(3)

2.2 35CrNi3Mo鋼試驗結果

規定比例極限對應非比例延伸率εp50的測量值夏皮洛-威爾克檢驗：按測量值從小到大排列為：0.000 1(5個)<0.000 104(2個)<0.000 112(2個)<0.000 128(12個)<0.000 144(4個)<0.000 152(7個)<0.000 16(2個)<0.000 176(1個)。

按照2.1同樣處理，求得W=0.939，結果顯示W>p，表明35CrNi3Mo鋼規定比例極限對應非比例延伸率εp50測量值遵從正態分布。

2.3 35CrNi1Mo鋼試驗結果

規定比例極限對應非比例延伸率εp50的測量值夏皮洛-威爾克檢驗：按測量值的大小，從小到大排列為：0.000 12(5個)<0.000 136(5個)<0.000 152(16個)<0.000 16(3個)<0.000 176(5個)<0.000 2(1個)。

按照2.1同樣處理，求得W=1.07，結果顯示W>p，表明35CrNi1Mo鋼規定比例極限對應非比例延伸率εp50測量值遵從正態分布。

2.4 規定比例極限對應非比例延伸率εp50測量結果的均值和標準差

計算求得35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo鋼規定比例極限對應非比例延伸率εp50測量結果的均值和標準差分別為：0.001 6%、0.002 1%、0.001 9%。

3 結論

(1)35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo 3個鋼種比例極限對應非比例延伸率εp50測量值遵從正態分布，不隨強度的變化而改變。

(2)35CrNi3MoV鋼規定比例極限對應非比例延伸率εp50為0.018%，用規定非比例延伸強度RP 0.018來代替比例極限。

(3)35CrNi3Mo鋼規定比例極限對應非比例延伸率εp50為0.013%，用規定非比例延伸強度RP 0.013來代替比例極限。

(4)35CrNi1Mo鋼規定比例極限對應非比例延伸率εp50為0.015%，用規定非比例延伸強度RP 0.015來代替比例極限。

[1]梁新邦 ，李久林.GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》實施指南[M].北京：中國標準出版社，2002：13.

[2]GB 228-1987 金屬拉伸試驗方法[S].

[3]GB 228-1976 金屬拉伸試驗法[S].

[4]GB/T 4882-2001 數據的統計處理和解釋 正態性檢驗[S].

[5] 于振凡，等.數據的統計處理和解釋[M].2版.北京：中國標準出版社，2006：151.