金屬材料室溫拉伸試驗影響因素分析

魏紅軍

（天津天鐵冶金集團技術(shù)中心，河北涉縣056404）

金屬材料室溫拉伸試驗影響因素分析

魏紅軍

（天津天鐵冶金集團技術(shù)中心，河北涉縣056404）

為提高金屬室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，對拉伸試驗中的各種影響因素進行試驗分析。試驗結(jié)果表明，試樣、測量工具、試驗設(shè)備、試樣夾持方法、試驗機拉伸速率、試驗室溫度、試驗人員等因素對拉伸試驗的結(jié)果影響較大。制定出具有針對性的方法和措施，在一定程度上減小了試驗數(shù)據(jù)誤差，提高了試驗結(jié)果準(zhǔn)確度。

金屬材料；拉伸試驗；影響因素

1 引言

力學(xué)性能是金屬材料較為重要的性能指標(biāo)，拉伸試驗就是獲取力學(xué)性能指標(biāo)最常用的方法。天鐵技術(shù)中心熱軋站力學(xué)試驗室擁有意大利進口試驗機——微機控制電子拉伸試驗機QUASAR60，為熱軋板材、帶材、棒線材等各種冶金產(chǎn)品進行質(zhì)量檢驗及性能檢測。在日常的檢測試驗中，我們發(fā)現(xiàn)試驗試樣、測量工具、試驗設(shè)備等各種因素會影響拉伸試驗結(jié)果，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，準(zhǔn)確度降低，從而影響了日常檢驗判定工作。為減小各種因素的影響，提高拉伸試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，天鐵技術(shù)中心熱軋站力學(xué)試驗室針對拉伸試驗中存在的各種影響因素，進行了大量的試驗。發(fā)現(xiàn)試驗試樣、測量工具、試驗設(shè)備、試樣夾持方法、試驗機拉伸速率、試驗室溫度、試驗人員，這七點因素對拉伸試驗的結(jié)果影響較大。結(jié)合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228．1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中對室溫拉伸試驗的要求，本文對上述影響因素做出了詳細的分析對比并提出了減小影響的具體方法。

2 影響金屬材料室溫拉伸試驗的主要因素

金屬材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)直接影響其力學(xué)性能，但同一批次、同一化學(xué)成分的金屬材料，在不同的試樣尺寸、試驗設(shè)備等各種因素下試驗，最終的力學(xué)性能卻不一定相同。

2.1 試驗試樣

試樣是試驗的載體。正確的取樣方法、方向和部位是保證試驗試樣合格的基礎(chǔ)，正確的加工方法、精確的試樣尺寸是保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)。

2．1．1 取樣方法

取樣方法分為有冷剪切、火焰切割、無齒鋸切割、機械鋸削等，不管是冷剪切還是火焰切割，都會導(dǎo)致試樣坯料出現(xiàn)局部受熱、剪切硬化。這些影響會使坯料出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。目前，力學(xué)試驗室采用冷剪切法取樣，在剪切時根據(jù)試樣坯料厚度預(yù)留足夠的機加工余量（按國標(biāo)GB/T228．1—2010中要求執(zhí)行）；在試樣加工過程中，不但要保證試樣的加工尺寸，還要保證試樣加工面的光潔度要求。這就要根據(jù)試樣材質(zhì)、試樣數(shù)量合理選擇進刀量和進刀速度，如有條件可以加注適當(dāng)?shù)睦鋮s液，防止試樣過熱和鐵屑粘刀。

2．1．2 取樣方向

軋制方向一般分為橫向軋制、縱向軋制和斜向軋制。拉伸試樣也分為橫向試樣（垂直于軋制方向）、縱向試樣（平行于軋制方向）、斜向試樣（于軋制方向成45°）。在技術(shù)中心熱軋站試驗室，用同一設(shè)備（微機控制電子拉伸試驗機QUASAR60）對在不同方向（橫向和縱向）取樣的普碳鋼Q235B和低合金鋼Q345B，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同取樣方向?qū)υ囼灲Y(jié)果的影響

通過試驗可以看出，不同方向取樣，Q235B和Q345B橫向試樣的強度和斷后延伸率均低于縱向試樣的強度。分析：金屬材料在熱加工時，晶粒和夾雜物會沿著軋制方向流動排列，形成金屬纖維組織，導(dǎo)致不同方向上的試樣產(chǎn)生不同的拉應(yīng)力。

2．1．3 取樣部位

在技術(shù)中心熱軋站試驗室，用同一設(shè)備（微機控制電子拉伸試驗機QUASAR60）對在不同部位取樣的普碳鋼Q235B和低合金鋼Q345B分別進行拉伸試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同取樣部位對試驗結(jié)果的影響

通過試驗可以看出，不同部位取樣，Q235B和Q345B在1/2處的強度均低于1/4處的強度，斷后伸長率則反之。分析：因為鋼材在冷剪切、火焰切割等加工過程中，會導(dǎo)致試樣坯料局部（尤其是邊緣）出現(xiàn)各種缺陷和應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖然同爐、同批，但不同部位的試樣拉伸性能也會出現(xiàn)差異。只有嚴格按照國標(biāo)或企標(biāo)的要求，在指定部位取樣才可以減小對試驗結(jié)果的影響。

2．1．4 試樣橫截面積形狀與尺寸

在同爐同批鋼帶及圓鋼的拉伸試驗中，不同的橫截面形狀與尺寸其拉伸試驗結(jié)果見表3。

表3 試樣橫截面形狀與尺寸對拉伸試驗結(jié)果的影響

通過試驗可以看出，試樣的橫截面形狀和尺寸對產(chǎn)品拉伸性能的影響主要體現(xiàn)在試樣延伸率上。不管是鋼帶還是圓鋼，試樣橫截面形狀與尺寸對強度的影響要小得多，最大差值為5 N/mm2。而試樣延伸率的最大差值為12．5A%。所以，試驗試樣不允許隨意改變橫截面形狀和加工尺寸，要嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2．1．5 試驗試樣公差

試驗試樣的公差分為試樣尺寸公差和試樣形狀公差。試樣尺寸公差是指在試樣標(biāo)距內(nèi)的實測值與標(biāo)準(zhǔn)值之差，試樣形狀公差是指試樣標(biāo)距內(nèi)的同一截面上的最大實測值與最小實測值的差值。在GB/T228．1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中，明確了各形狀試樣的尺寸公差和形狀公差。在實際機加工過程中所產(chǎn)生的誤差是不可避免的，任何誤差都會影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度。以數(shù)控雙開肩機加工公差（寬度和厚度）較大的矩形試樣試驗，其試驗結(jié)果分析見表4。

分析后得出一條結(jié)論：試樣橫截面積越小，形狀公差越大，對試驗結(jié)果的影響越大；反之也成立。因此，在制備拉伸試樣時,一定要按照國標(biāo)要求進行測量、加工，按不同鋼種選擇合適的加工設(shè)備和銑削速度。

2.2 測量工具

拉伸試樣需要測量的尺寸有：原始寬度和厚度、斷后寬度和厚度、原始標(biāo)距、斷后標(biāo)距。測量工具一般是游標(biāo)卡尺（測寬）和千分尺（測厚），準(zhǔn)確度和分辨力必須滿足尺寸測量的要求。所以，測量工具須經(jīng)校驗合格后才能使用。注意不能超年限使用，必須在有效的校驗?zāi)晗迌?nèi)使用。

2.3 試驗設(shè)備

目前力學(xué)試驗室拉使用的伸試驗機是意大利進口試驗機機——微機控制電子拉伸試驗機QUASAR60。它由試驗機體、電子引伸計、計算機3部分組成，工作原理是通過計算機控制試驗機主體對垂直夾持的試樣施加軸向拉應(yīng)力至試樣斷裂，測定一項或幾項力學(xué)性能。試驗機和引伸計的準(zhǔn)確度對試驗數(shù)據(jù)的影響較大。例如，試驗機上下十字頭（夾頭）不在同一軸線上，可能會導(dǎo)致試驗試樣在拉伸初期出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，在曲線圖中彈性直線段會產(chǎn)生不連續(xù)性，使屈服狀態(tài)變得不明顯，影響屈服強度的準(zhǔn)確度。

2.4 試樣夾持方法

試樣的夾持方法直接影響試驗數(shù)據(jù)，比如試樣夾斜（不在同一軸線）會引起試樣打滑或斷在鉗口內(nèi)，使試驗數(shù)據(jù)偏低，甚至在曲線上無法找到屈服點。

2.5 拉伸速率

拉伸速率直接影響金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。拉伸速率越高，強度越高。試驗速率一般由試驗機廠家或相關(guān)技術(shù)人員，在設(shè)置試驗方法時設(shè)置好，一般操作人員無法更改。

2.6 試驗溫度

金屬材料室溫拉伸試驗，要求在10～35℃的室溫下進行。如果試驗試樣對溫度比較敏感，就要采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M行控溫。一般當(dāng)試樣溫度升高時，其強度會降低，延伸率會增高。

2.7 試驗人員

人員的主觀因素和操作水平的高低會使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。不同的人員在測量同一試樣時，測量數(shù)據(jù)不一定相同。特別是單次測量時，試驗結(jié)果的波動性更大，但這樣的誤差是不可避免的。

表4 數(shù)控雙開肩機加工矩形試樣形狀公差對拉伸試驗結(jié)果的影響

3 減小影響的措施

樣坯取樣方向和取樣部位要嚴格按照國家標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行，坯樣要留有足夠的加工余量。在機加工試樣時要選擇合理的進刀量和銑削速度，不宜過快或過慢，要保證試樣的公差符合國標(biāo)要求；測量工具和試驗設(shè)備應(yīng)定期校驗，合格后方可使用，注意不能超過校驗期限使用；試驗機拉伸速率不能隨意更改，要選擇適合該鋼種的試驗方法進行拉伸試驗；試樣夾持若要保證在同一軸線上，只需在試驗機上下鉗口處，各安裝一個自制的試樣定位裝置就可以解決這個問題；試驗室溫度要控制在10～35℃，可以通過空調(diào)、暖氣等方法合理調(diào)整試驗室溫度；試驗人員測量試樣尺寸要采取多點多次測量法，在同一拉伸試樣上至少3次測量，每次至少取3點測量寬厚值，然后求平均值。

4 結(jié)束語

經(jīng)過長時間的試驗分析，天鐵冶金集團技術(shù)中心熱軋站力學(xué)實驗室清楚認識到試驗試樣、測量工具、試驗設(shè)備、試樣夾持方法等因素對試驗準(zhǔn)確度有很大的影響，現(xiàn)已制定出具有針對性的一些方法、措施，在一定程度上減小了試驗數(shù)據(jù)誤差，提高了試驗結(jié)果準(zhǔn)確度。

[1]GB/T 24182—2009，金屬力學(xué)性能試驗——出版標(biāo)準(zhǔn)中的符號和定義[S].

[2]田冀鋒，劉小蠻，張永建.測試方法對測定金屬材料屈服強度的影響及分析[J].實驗室科學(xué)，2010（4）：114-116.

[3]姜美琴.金屬材料室溫拉伸試驗的影響因素淺析[J].江蘇冶金，2007（2）:27-31．

Analysis on Influencing Factors of Metallic Material Tensile Test at Room Temperature

WEI Hong-jun
(Technology Center of Tianjin Tiantie Metallurgical Group Co．,Ltd．,She County, Hebei Province 056404,China)

In order to improve the accuracy of data from metal tensile test at room temperature,all influencing factors in tensile test were tested and analyzed．Test results showed factors of sample,measuring tool,testing equipment,sample holding method,tensile speed of testing machine,laboratory temperature and testing personnel had big influence on the results of tensile test．Relevant approaches and measures were defined,reducing the error of test data in certain degree and improving the accuracy of test results．

metallic material;tensile test;influencing factor

10．3969/j．issn．1006-110X．2015．03．022

2015-01-13

2015-02-03

魏紅軍（1984—），男，主要從事冶金產(chǎn)品質(zhì)量檢驗方面的研究工作。