壓力容器用拉伸試樣的制備對(duì)爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)的影響研究

馮 健，王 健，曾 強(qiáng)，李小雷

（1.舞鋼神州重工金屬?gòu)?fù)合材料有限公司，河南 平頂山 462599；2.南京高雷復(fù)合材料有限公司，江蘇 南京 210048）

壓力容器用拉伸試樣的制備對(duì)爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)的影響研究

馮 健1,2，王 健2，曾 強(qiáng)1，李小雷2

（1.舞鋼神州重工金屬?gòu)?fù)合材料有限公司，河南 平頂山 462599；2.南京高雷復(fù)合材料有限公司，江蘇 南京 210048）

在生產(chǎn)實(shí)踐中，壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板的拉伸試樣制備分別有圓形試樣、去復(fù)材矩形試樣、帶復(fù)材矩形試樣三種型式，而三種型式的拉伸試樣經(jīng)同一臺(tái)拉伸機(jī)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)差異很大的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由于不同公司執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，容易造成產(chǎn)品合格與否的爭(zhēng)議，文章以三種類型的拉伸試樣為基礎(chǔ)，通過(guò)同一臺(tái)拉伸機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，歸納出三種不同拉伸試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加以分析，并對(duì)檢驗(yàn)中使用的兩種不同標(biāo)準(zhǔn)提出修正建議。

拉伸試樣；抗拉強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)

拉伸試驗(yàn)是指在承受軸向拉伸載荷作用下測(cè)定材料特性的試驗(yàn)方法。利用拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可以確定材料的彈性極限、伸長(zhǎng)率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和其它拉伸性能指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)是金屬材料最普遍最基本和最經(jīng)典的一種試驗(yàn)方法，由拉伸試驗(yàn)所獲得的材料強(qiáng)度和變形性能，無(wú)論對(duì)于設(shè)計(jì)或材料研究都具有很重要的價(jià)值。對(duì)于單一材質(zhì)的金屬，標(biāo)準(zhǔn)GB/T228詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)方法、定義、試樣及尺寸測(cè)量以及測(cè)定結(jié)果數(shù)值修約等，為避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤判誤解提供了一個(gè)權(quán)威依據(jù)。

然而，隨著近年來(lái)爆炸焊接雙金屬的迅速發(fā)展，爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合材料的拉伸試驗(yàn)數(shù)量增長(zhǎng)迅猛。雖然針對(duì)復(fù)合鋼板力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)GB/T6396及時(shí)出臺(tái)，但由于各方對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解不同，在試樣制備上存在分歧，導(dǎo)致同一塊金屬?gòu)?fù)合板在拉伸試樣制備和試驗(yàn)中出現(xiàn)不同結(jié)果的現(xiàn)象，引起很大的誤解和爭(zhēng)議。文章依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975規(guī)定的取樣和制備方法，分別制備出去除復(fù)材的圓形試樣、去復(fù)材矩形試樣以及帶復(fù)材矩形試樣，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，尋找出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異，以便為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)提供一些參考數(shù)據(jù)。

1 試樣制備

試樣截取自國(guó)內(nèi)某公司用于壓力容器的爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板。復(fù)合板材質(zhì)為S31603/Q345R，名義總厚度為38mm（4+34），試樣截取位置在復(fù)合板寬度W1/4處，試樣全厚度t如圖1所示。

圖1 爆炸焊接復(fù)合板取樣位置

GB/T6369-2008規(guī)定，試樣一般為矩形試樣，當(dāng)復(fù)合鋼板總厚度T不大于40mm時(shí)，采用全厚度試樣試驗(yàn)；對(duì)于特殊用途的復(fù)合鋼板，可采用全部去除復(fù)材的矩形試樣或圓形試樣。由于標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)特殊復(fù)合鋼板加以界定，致使在復(fù)合鋼板訂貨時(shí)未加規(guī)定，從而使試樣的制備型式及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在異議。文章依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6369-2008規(guī)定，分別制備出標(biāo)準(zhǔn)要求的三種標(biāo)準(zhǔn)試樣，以便加以分析對(duì)比。

圓形試樣的制備加工選用標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為R2的比例試樣，試樣直徑d0=20mm，原始標(biāo)距L0=100mm；去復(fù)材矩形試樣和帶復(fù)材矩形試樣的制備加工選用標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為P10的比例試樣，去復(fù)材矩形試樣的尺寸為24.7×32.5mm，帶復(fù)材矩形試樣的尺寸為24.8×37.1mm，由于試驗(yàn)針對(duì)的是材料的抗拉強(qiáng)度，所以兩種矩形試樣的原始標(biāo)距均設(shè)定為L(zhǎng)0=100mm。

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比

拉伸試驗(yàn)機(jī)采用WAW-1000型，對(duì)三種試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，三種試樣采用的應(yīng)變速率均為10MPa/s，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三種型式試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 分析與討論

對(duì)于壓力容器用鋼板，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定厚度34mmQ345R鋼板的屈服強(qiáng)度為ReL≥325MPa；拉伸強(qiáng)度Rm=500～630MPa。不銹鋼S31603室溫下的力學(xué)性能為Rp0.2≥180MPa；Rm=490MPa。壓力容器設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板時(shí)，一般把復(fù)層金屬計(jì)入強(qiáng)度計(jì)算，這樣復(fù)合板的總厚度即為38mm，其拉伸強(qiáng)度分別為屈服強(qiáng)度ReL≥315MPa；拉伸強(qiáng)度Rm=490～620MPa。另外針對(duì)爆炸焊接復(fù)合鋼板的標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002.1-2009規(guī)定了爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板拉伸試驗(yàn)計(jì)算方法如下。

根據(jù)式（1）和式（2），把已知的標(biāo)準(zhǔn)拉伸數(shù)據(jù)帶入公式，可得出爆炸焊接復(fù)合板的拉伸性能的數(shù)據(jù)：Re≥=309MPa；Rm≥=498MPa。

壓力容器用鋼板和壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板兩種材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值對(duì)比如表2所示。

表2 厚度34mm壓力容器用鋼板和厚度38mm（4+34）壓力容器用爆炸復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

從表2中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)來(lái)看，不同厚度的鋼板，兩種標(biāo)準(zhǔn)中其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的規(guī)定值是不同的。文章中三種試樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002.1-2009和標(biāo)準(zhǔn)GB713-2014中厚度38mm(4+34)，則三種試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是合格的；但如執(zhí)行GB713-2014標(biāo)準(zhǔn)中的基層板厚度34mm，則圓形試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不合格的。

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，圓形試樣和去復(fù)材試樣的拉伸數(shù)據(jù)比較接近，屈服強(qiáng)度最大差值為73MPa，抗拉強(qiáng)度最大差值為30MPa。而帶復(fù)材的屈服強(qiáng)度波動(dòng)不大，差值只為34MPa，抗拉強(qiáng)度比較接近，但總的來(lái)說(shuō)其抗拉強(qiáng)度比圓形試樣和去復(fù)材試樣高一些。這可能和爆炸焊接過(guò)程中復(fù)材受炸藥爆轟強(qiáng)化有關(guān)。

對(duì)比表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，如依據(jù)國(guó)標(biāo)GB713-2014規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，只考慮復(fù)材的厚度，那么圓形試樣的抗拉強(qiáng)度是不合格的；如把NB/T47002.1-2009作為驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，或把復(fù)層也計(jì)入厚度，圓形試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又是合格的。圓形試樣測(cè)出的性能指標(biāo)比板狀試樣要好的多，在可能的情況下盡量采用圓形試樣。因此很多企業(yè)在復(fù)驗(yàn)爆炸焊接復(fù)合板時(shí)，一般采用圓試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，并只考慮基層的厚度。對(duì)爆炸焊接復(fù)合板來(lái)說(shuō)，由于設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)層已經(jīng)計(jì)入強(qiáng)度計(jì)算，而采用圓試樣或去復(fù)材矩形試樣，無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002.1-2009所規(guī)定的公式，這樣容易造成彼此之間的誤會(huì)和爭(zhēng)議。對(duì)設(shè)計(jì)爆炸焊接復(fù)合板的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異也應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以考慮，并明確規(guī)定以哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為爆炸焊接復(fù)合鋼板的最終驗(yàn)收依據(jù)。

4 結(jié)論

綜上所述，文章得出如下結(jié)論：①壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板的試樣制備包括三種型式：帶復(fù)層材料，圓形試樣和去復(fù)層試樣。三種試樣型式所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不同的；②圓形試樣和去復(fù)層試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)比較接近，帶復(fù)層試樣的拉伸性能明顯高于其它兩種試樣的拉伸性能；③設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板時(shí)，應(yīng)考慮兩種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差異性。在設(shè)計(jì)時(shí)，如把復(fù)層計(jì)入強(qiáng)度，應(yīng)明確規(guī)定使用帶復(fù)層的矩形試樣作為拉伸性能實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并應(yīng)明確規(guī)定復(fù)合鋼板的厚度是否包括復(fù)材；④壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002.1-2009是基于爆炸焊接雙金屬?gòu)?fù)合板的迅猛發(fā)展而制定的，其中的拉伸試樣結(jié)果要符合標(biāo)準(zhǔn)中的兩個(gè)公式，但這兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果和壓力容器用鋼板標(biāo)準(zhǔn)GB713-2014的規(guī)定值是不相符的。因此應(yīng)對(duì)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性進(jìn)行論證，以免因標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不同而引起的異議。

[1]鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備[S].GB/T2975-1998.

[2]復(fù)合鋼板力學(xué)性能及工藝性能實(shí)驗(yàn)方法[S].GB/T6369-2008.

[3]金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法[S].GB/T228.1-2010.

[4]鍋爐和壓力容器用鋼板[S].GB713-2014.

[5]承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶[S].GB24511-2009.

[6]壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第一部分：不銹鋼-鋼復(fù)合板[S]. NB/T47002.1-2009.

[7]石國(guó)全.拋光工藝對(duì)某鋁合金試樣力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].北方工業(yè)大學(xué),2012.

The Study in Influence of theTensile Strength of Experimental Data on Pattern of Specimen of Explosive Welding Metal clad Used in Pressure Vessels

Feng Jian1,2,Wang Jian2,Zeng Qiang1,Li Xiaolei2
(1.Wugang Shenzhou Heavy Industry Clad Metal Materials Co.,Ltd. Henan Pingdingshan 462599;2.Nanjing Gaolei Composite Materials Co.,Ltd. Jiangsu Nanjing 210048)

There are usually preparation three types of tensile specimens in circular, no clad rectangular and rectangular with clad in the production practice to pressure vessel by explosive welding clad metal. The experimental data of the three types of tensile specimens by the same tensile machine appear significant variations.Because of different company carry on different standards, it was so easy to cause some disputes over the results of products qualified or not.In this paper, through the same tensile machine experiments and summing up the experimental data based on the three different types of tensile specimens, as well as to analyse the the experimental data and to put forward suggestions to the different standards in the products produce.

Tensile test specimen;Tensile strength;Standards

TG115.5+2

A

2096-2789（2016）12-0009-02

馮?。?962-），男，河南平輿人,工程師，研究方向：金屬材料性能。