生產檢驗中測試材料n值的方法

高驥天，李清松，楊功顯，張邦強

（東方汽輪機有限公司材料研究中心，四川 德陽 618000）

生產檢驗中測試材料n值的方法

高驥天，李清松，楊功顯，張邦強

（東方汽輪機有限公司材料研究中心，四川 德陽 618000）

針對目前測試材料在高溫條件下應變硬化指數n值無相應試驗標準，但針對超超臨界汽輪機組中所用材料在高溫條件下測試n值需求較大的狀況，采用CMT 5105萬能試驗機在常溫和高溫條件下對汽輪機密封圈材料06Cr25Ni20測試真應力—應變曲線和n值，并采用數理統計的方法對n值進行統計。討論不同拉伸速率和取點數量對n值統計結果的影響，試驗結果表明：當取點數量達到或超過10點時，材料06Cr25Ni20在620℃的n值的離散程度明顯降低，其95%的置信區間更加精確。

彈塑性力學；方差分析；拉伸試驗；硬化指數n值

0 引 言

隨著國家節能減排政策的實施，發電用汽輪機的功率越來越大，這對汽輪機密封部件的密封性能也提出了更高的要求。目前，采用密封環在工作狀態（620℃）時緊套和閥殼內壁產生接觸實現局部塑性變形以保證汽密性，是汽輪機設計中一個常用方式。材料在塑性過程中的變化情況和本構關系可以通過真應力—應變曲線很好地反映[1]，并能以此確定軋制工藝[2]；真應力—應變曲線已用于包括鐵素體不銹鋼、汽車儀表盤[3]、TBM刀具鋼[4]材料的失效和力學行為的研究。同時，應變硬化指數n值也可作為衡量材料形變強化的定量指標[5]。目前測試高溫條件下的應變硬化指數n值的原理參照常溫試驗進行，結合文獻[6]和文獻[7]，建立對圓柱體試樣在高溫拉伸中的真應力真應變的計算模型。但高溫條件下，溫度控制和應變測量等因素會對試驗結果造成影響，所以在保證溫度控制精度和應變測量精度的前提下，適當增加取點數量可以有效避免因測量原因而造成的計算結果的誤差[8-9]；而當取點數量過多時，則會增加工作量，所以當取點數量為10點最為適宜。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為奧氏體不銹鋼06Cr25Ni20，材料金相組織見圖1。為了保證計算結果不受爐次、原材料等因素的影響，本次試驗取樣來源為一批原材料，同一爐次出爐。其制造工藝為鍛壓、1000～1150℃的固溶處理、850～950℃的去應力退火，保溫60min后空冷。

根據實際測試，本次試驗材料的化學成分如表1所示。

表1 06Cr25Ni20主要化學成分質量分數 %

圖1 06Cr25Ni20的金相組織

1.2 試驗參數設定

試驗溫度分別為室溫、620℃；應變速率對奧氏體不銹鋼的硬化指數存在敏感性[10-12]，所以設定高溫條件下的應變速率為0.004/min，位移速率為0.2mm/min。

拉伸試樣均采用GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫 試驗方法》中的R4試樣，工作直徑為10mm。為了保證拉伸試驗的精度，在試樣上按照標距長度（L0=50 mm）加工凸臺，方便安裝引伸計導桿；引伸計導桿為對稱安裝，并用緊固環完全固定，以保證不會因為受力等原因發生偏移，造成測試誤差。將上下導桿通過插銷連接，在保證了插銷活動自如后，安裝0.5級引伸計，如圖2所示。

高溫爐配備了3段熱電偶，分別用于測量試樣上中下3段溫度，均通過了計量認證；當且僅當高溫爐溫度到達試驗溫度，且上中下3段溫度相差3℃之內時，開始保溫。

圖2 拉伸試樣和應變測試裝置

2 結果與數據分析

2.1 常溫真應力-應變曲線測試和n值分析結果

圖3為06Cr25Ni20在常溫條件下的真應力-應變曲線（縮頸以前）。

圖3 06Cr25Ni20常溫真應力-應變曲線

表2、表3分別為06Cr25Ni20在常溫條件下的n值和根據其分布所得到的數理統計結果。

表2 06Cr25Ni20常溫應變硬化指數n值

表3 06Cr25Ni20常溫應變硬化指數n值數理統計結果

可以看出，分布離散程度很小，說明該材料性能均勻，從而保證高溫條件下材料不會因為性能不均勻導致計算結果的較大偏差。

圖4 06Cr25Ni20 620℃真應力-應變曲線（位移控制）

圖5 06Cr25Ni20 620℃真應力-應變曲線（應變控制）

2.2 高溫真應力-應變曲線及常規力學性能

圖4和圖5為620℃下06Cr25Ni20的真應力-應變曲線（縮頸以前）。其中，圖4采用位移控制，圖5采用的是應變控制；材料硬化階段全程采用引伸計跟蹤標距段的變形。

2.3 高溫應變硬化指數n值及其分布

對不同控制方式條件下的曲線，采用不同的取點數量計算n值，結果如表4和表5所示。

表4 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數n值（位移控制）

表5 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數n值（應變控制）

表6 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數數理統計特征值（位移控制）

表7 06Cr25Ni20 620℃應變硬化指數數理統計特征值（應變控制）

圖6 620℃下應變硬化指數n值的標準差隨取點數目的分布

不同控制模式下，n值的標準差隨著取點數量的變化如圖6所示。相應的數理統計特征值如表6和表7所示。

從圖6可以看出，采用位移控制得到的結果樣本離散程度相對較大，這是因為采用位移控制時，拉伸試樣標距段內的變形并不是均勻變形，標距段在縮頸之前變形程度的不一致，造成硬化程度的不同[8]；而采用應變控制時，在縮頸前，試樣標距段內各處均勻變形，不會受到因試樣變形不均勻而導致硬化程度不同的影響。

通過表6、表7可以看出，7點法得到的樣本中結果偏差較大，且置信區間較寬，精度較低。隨著取點數量的增加，樣本的離散程度在不斷減小，置信區間也在不斷縮小，準確度增加。這是因為高溫條件下的拉伸試驗影響因素較多，且取點數量較小時，偶然性因素的影響會增加，增加取點數量會減小這種偶然性因素的影響。

3 結束語

1）常溫條件下的試驗證明材料的性能均勻，排除了因材料性能不均勻而造成高溫條件下n值的偏離。

2）高溫條件下計算材料的應變硬化指數n值，須采用應變控制模式，減少因位移控制帶來的標距段內的變形程度不均勻，排除不均勻變形對結果產生的影響。

3）在高溫條件下，增加取點數量會使樣本的分散性明顯減小，降低測量誤差和溫度均勻性等因素對結果的影響。而當取點數量高于10點時，測量誤差和溫度均勻性等影響因素對結果的影響明顯減小，所以生產上所需要的高溫條件下的應變硬化指數n值，可采用10點法計算。

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[3]何業磊.汽車儀表板材料與頭部碰撞模擬分析[D].大連：大連理工大學，2013.

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[12]汪志福，孔韋海.應變速率對304奧氏體不銹鋼應變硬化行為的影響[J].壓力容器，2013，30（7）：6-11.

A test method in inspection for the tensile strain-hardening exponents（n-values）of metallic sheet materials

GAO Ji-tian，LI Qing-song，YANG Gong-xian，ZHANG Bang-qiang
（Materials Research Center，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

The test method for n-value of metallic materials under the condition of high temperature without corresponding testing standards，while the value is used largely at the latest generation steam turbine.The material 06Cr25Ni20 is used to machine the sealing part of the steam turbine and the n-Value of the material at room temperature and 620℃ need to be tested with the CMT 5105 testing machine.The result shows when number of points for calculating is more than 10，the n-Value and confidence interval is more accurate.

elastic and plastic mechanics；variance；tensile test；n-Value

TH873；TM311；TG115.5+2；TM930.2

：A

：1674-5124（2014）05-0036-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.009

2014-02-17；

：2014-05-05

高驥天（1990-），男，四川德陽市人，助理工程師，主要從事材料力學性能研究工作。