金屬材料0.2%規(guī)定非比例延伸強度試驗方法分析

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

金屬材料0.2%規(guī)定非比例延伸強度試驗方法分析

吳慧鋒
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

詳細介紹了利用電子引伸計和位移傳感器進行規(guī)定非比例延伸強度測試的自動化試驗方法，并通過中碳Cr-Mo結構鋼為例介紹了這兩種儀器進行0.2%規(guī)定非比例延伸測試方法對比試驗，闡述了對比試驗數(shù)據統(tǒng)計分析過程，確定了一種滿足企業(yè)產品研發(fā)與質量控制的高效Rp0.2試驗方法。

金屬屈服強度引伸計位移傳感器0.2%規(guī)定非比例延伸強度

1 前言

拉伸屈服強度是金屬材料的重要力學性能指標，機械零件在工作過程中若發(fā)生塑性變形，即可能進一步演變?yōu)槭鹿?，故工程設計與機械設計中把拉伸屈服強度作為力學計算和選材的依據，其重要性甚至于超過極限強度。本文探討引伸計法和位移傳感器兩種試驗方法之間的差異，確立了一種滿足企業(yè)產品研發(fā)與質量控制要求的高效0.2%規(guī)定非比例延伸強度測試方法。

2 屈服拉伸曲線特點描述

除淬火鋼等沒有屈服現(xiàn)象的脆性金屬材料外，隨著金屬材料的化學成分和組織狀態(tài)的不同，其拉伸曲線屈服現(xiàn)象的明顯程度與呈現(xiàn)特征可分為以下3類：

（1）明顯屈服型，在屈服階段出現(xiàn)明顯的屈服平臺，例如退火低碳鋼等，見圖1。

（2）平直型，無明顯的屈服現(xiàn)象，具有明顯彈性直線段，如中、高強度鋼等，見圖2。

圖1 明顯屈服型

（3）弧線型，無明顯的屈服現(xiàn)象，彈性線段呈圓弧狀，如球墨鑄鐵等，見圖3。

對于拉伸曲線無圖1所示的明顯屈服平臺的金屬材料，即圖2和圖3所示的金屬，國內外普遍采用“0.2%規(guī)定非比例延伸強度”，即Rp0.2,作為拉伸屈服強度，表示金屬材料對微量塑性變形的抗力。

要準確測得材料的Rp0.2，除了保證試驗機的精度與可靠性外，還必須采用正確、合理的試驗方法，排除各種不利的干擾因素。

圖2 平直型

圖3 弧線型

3 測試原理

Rp0.2測試方法如圖4所示：首先通過拉伸試驗，獲得“力－延伸”曲線，然后在曲線圖上，劃一條與曲線的彈性直線段部分平行、且在延伸軸上與此直線段的距離等效于規(guī)定非比例延伸率0.2%的直線，此平行線與曲線的交截點給出相應于所求規(guī)定非比例延伸強度的力，此力除以試樣原始橫截面積S0得到規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2。

GB/T 228－2002“金屬材料室溫拉伸試驗方法”規(guī)定了常規(guī)平行線法、滯后環(huán)法、逼近法等試驗方法，可根據金屬材料的拉伸曲線特點進行選擇。

（1）如果拉伸曲線圖屬于圖2類型，即具有明顯彈性直線段，則推薦選用常規(guī)平行線法，如圖4所示。

（2）如果拉伸曲線圖屬于圖3類型，即彈性線段呈圓弧狀，以致不能以足夠的準確劃出這一平行線，則可以采用如圖5和圖6所示的2種試驗方法中的一種。

滯后環(huán)法需預先估計卸力點，缷力點估計過低和過高都導致最終數(shù)據的過低和過高。逼近法除了能應用不具有明顯彈性直線段拉伸曲線圖外，同時也能應用于具有明顯彈性直線段拉伸曲線圖，但其計算相對復雜，效率不高。

圖4 常規(guī)平行線法

圖5 滯后環(huán)法

圖6 逼近法

4 試驗儀器

Rp0.2測試方法屬于圖解試驗方法，需要根據“力－延伸”曲線圖來求解屈服強度值，只有采用合適的儀器，才能準確地繪制出“力－延伸”曲線圖，常用的測試方法有電子引伸計和夾頭位移傳感器等。

4.1 引伸計

電子引伸計作為一種繪制“力－延伸”曲線圖的重要儀器，其標距允差、測量范圍、變形示值誤差和穩(wěn)定性等對變形測量的影響是最直接的。根據GB/T 228－2002的規(guī)定，引伸計準確度須不劣于1級。

試驗時引伸計夾持在試樣平行段上，可根據變形測量范圍盡可能選取臂長較短的引伸計，以減少引伸計自身晃動，提高測量靈敏度。把引伸計安裝到試樣時，夾持力也要適宜。夾持力過大會造成引伸計懸梁承受扭矩，影響測量準確度，過小則會引起試驗時刀口“打滑”。作為高精度試驗的試驗儀器，在試驗過程中引伸計安裝繁瑣復雜，效率較低，不適于頻次高數(shù)量多的日常拉伸試驗檢測。

4.2 夾頭位移傳感器

隨著位移傳感器在電子拉力機中的廣泛應用，一種“力－夾頭位移”試驗法作為快速試驗法得到應用。其原理和引伸計類似，利用位移傳感器標距的延伸量代替引伸計標距的延伸量完成試驗。位移傳感器作為試驗機的一部分，固定裝配在

兩夾頭間或橫梁與立柱之間，拉伸試驗時位移傳感器標距的延伸量除了試樣標距的延伸量外，還包括了試樣過渡弧的非比例變形等標距以外的變形，故采用夾頭位移傳感器繪制的“力－夾頭位移”近似于標準的“力－（引伸計標距）延伸”。然而，作為一種試驗機固定儀器，位移傳感器試驗無需安裝，且量程遠超過試驗機夾頭的最大行程，不受試樣斷裂影響，可以避免引伸計的裝夾難度高、測量行程短等不利因素的影響，大大減少了屈服強度測試難度與工作量，適合于日常大量試驗使用。

5 試驗驗證

5.1 試驗條件

拉伸屈服強度試驗精度受試驗設備、試驗程序、試樣尺寸和拉伸速度等多種因素影響，本次試驗的兩組試驗法采用相同試驗參數(shù)（見表1）。

表1 試驗參數(shù)

5.2 試驗內容

選取機械制造中應用廣泛的中碳Cr-Mo結構鋼，經淬火+中溫回火后，加工成標準拉伸試棒。采用相同原則確定試驗儀器與人員，進行Rp0.2試驗。在每件樣件試驗中同時使用引伸計和位移傳感器進行測定，通過引伸計獲得的強度值為參考值。2種試驗方法除了要驗證的因素外，其余條件完全一致，符合系統(tǒng)分析要求，結果見表2。

位移傳感器法測試所需時間為3 min/每件試樣，引伸計法則為10 min/每件試樣，二者效率相差十分明顯，這對于大批量生產中的日常拉伸檢測影響更甚。

6 試驗結果分析[1]

6.1 假設性判斷

考慮到2種強度之間的可比性，把二者強度差與參考值的比值作為研究對象，見表2。

根據經驗，假定比值服從正態(tài)分布，且二者方差相等。利用t檢驗法對試驗結果進行假設性判斷。

（1）假設H0：引伸計法與夾頭位移傳感器法這2種試驗方法所測強度無顯著性差異。

（2）計算差值比值百分數(shù)的平均值和標準差S比及統(tǒng)計量t

（3）根據α=5%和自由度ν=14，查t分布表得到ta=2.145。

（4）統(tǒng)計推斷：因為|t=-15.12|大于ta=2.145，所以推翻原假設H0，應認為引伸計與夾頭位移傳感器2種試驗方法所測強度有顯著性差異，其置信度為95%。

（5）比值百分數(shù)置信區(qū)間估計如下：

表2 測試數(shù)據

因此，有95%的把握推斷，位移傳感器與引伸計獲得的Rp0.2強度差比值百分數(shù)的95%置信區(qū)間：(-0.642,-0.482)。

6.2 不確定度計算

變形不確定度包括使用位移傳感器因素所形成的位移變形不確定度和引伸計延伸變形不確定度。

（1）確定位移變形不確定度（極差法）：

式中，

Wn——強度差比值的最大值與最小值的差；

dn——系數(shù)，其值按n值由資料查得為3.472；

（2）考慮置信度的擴展不確定度表示為

k為p=95%時的置信系數(shù)，小子樣法按t分布確定k值。

（3）引伸計不確定度

在本次試驗中使用電子引伸計準確度0.3級，即引伸計的不確定度u引=0.3。

（4）不確定度合成

上述計算結果表明，在本次力－夾頭位移方法試驗中，因位移傳感器代替引伸計造成的變形（位移）不確定度為0.4，符合國標Rp0.2拉伸試驗中要求變形（位移）不確定度小于等于1的要求。

7 結論

通過上述Rp0.2對比試驗可以看出，利用位移傳感器的力－夾頭位移方法測試數(shù)據比利用引伸計的常規(guī)平行線方法測試數(shù)據略有偏低，但是偏差符合國標要求，大幅度提高了測試效率，降低了生產成本，完全可以滿足發(fā)動機企業(yè)產品質量控制與研發(fā)的需要。

在實際工作中，不便安裝引伸計或者想提高試驗測試效率的，都可以利用位移傳感器進行力－夾頭位移方法進行Rp0.2測試，再利用上述對比試驗方法進行評價，這種方法在本企業(yè)日常金屬材料測試中得到廣泛應用。

1曹用濤．機械工程材料測試手冊－力學卷[M]．遼寧：遼寧科學技術出版社，2001.

Metallic Material Rp0.2Strength Testing Analysis

Wu Huifeng
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Automatic testing methods of proof strength at 0.2%non-proportional extension(i.e.Rp0.2) with extensometer and displacement transducer is introduced in detail.A more efficient Rp0.2 testing method is established through analyzing practical applications in the mid-carbon Cr-Mo structural steel.

metal,yield strength,extensometer,displacement transducer,proof strength Rp0.2

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.009

來稿日期：2011-05-13

吳慧鋒（1976-），男，助理工程師，主要研究方向為材料與理化實驗。