δ0.05mm薄鋼帶力學性能測試方法研究

徐秋發 李東東 楊慶功 李阿妮 劉宗杰 展曉艷

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

δ0.05mm 1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶為航天多個型號用關鍵原材料，依據GB/T 4239-1991技術條件要求[1]，不進行力學性能測試，標準中也無此規格對應的力學性能指標與檢測方法，但在航天領域中，使用該規格材料時一直按標準中最小規格δ0.3mm對應的數據進行合格與否的判定。由于0.05mm厚的 1Cr18Ni9Ti在進行力學性能測試時，難度大，影響因素多而且還不明確，測試結果往往并不是材料本身性能的真實反映。目前，已有多批δ0.05mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶的力學性能測試結果達不到標準的要求，致使無法繼續生產使用，已嚴重影響了各型號的科研生產任務的順利進行。

眾所周知，影響金屬材料力學性能測試結果有很多因素，如拉伸速率、試樣形狀、表面加工狀態等[2～9]。有文獻研究表明[2]，不同材料對拉伸速度的敏感程度不同，拉伸速率對不同的材料的影響大小不一樣。對于試樣形狀的研究結果，不同材料也有不同結果[3～5]。在GB/T 4239-1991技術條件中[1]，對試樣形狀也沒有唯一規定，試樣形狀可選擇帶頭(啞鈴型)和不帶頭(直條型)的試樣。因此，本文研究了拉伸速率、試樣形狀和表面狀態對0.05mm厚的 1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶力學性能測試的影響，并且制定出合理的檢測方法，以提高產品一次檢驗合格率。

2 試驗方案

隨機選取一批次1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶為試驗材料，鋼帶厚度為0.05mm，寬度為200mm。沿鋼帶軋制方向并排取樣，試樣形狀按GB/T 4239-1991要求加工成直條型和啞鈴型兩種形式，試樣實物如圖1所示。

圖1 啞鈴型和直條型拉伸試樣Fig.1 Dumbbell-shaped samples and straight strip samples

在室溫條件下，用GMT 6203微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試，分別采用4種不同的拉伸速率進行拉伸試驗，4種不同拉伸速率分別為0.5mm/min、3mm/min、5mm/min、20mm/min，測量不同拉伸速率下鋼帶的抗拉強度(σb)和屈服強度(σ0.2)和斷后延伸率(δ5)。拉伸試驗方法、數據處理及試驗結果的判定依據GB/T 228.1-2010進行[10]。

為了研究試樣表面狀態對力學性能測試結果的影響，本文還選取了表面有壓痕的鋼帶試樣進行了拉伸試驗。

3 試驗結果

3.1 拉伸速率對直條型試樣力學性能測試結果的影響

表1是直條型試樣在4種不同拉伸速率下進行拉伸試驗的結果。從表1中可以看出，直條型試樣在不同拉伸速率下的抗拉強度(σb)和屈服強度(σ0.2)均達到標準要求，但是延伸率(δ5)有一半達不到標準要求。延伸率達不到標準的原因是直條型試樣拉斷部位在夾頭處，而不是在有效標距內，屬于不合格數據。

表1 在不同拉伸速率下直條型試樣力學性能測試結果Tab.1 Results of mechanical properties of straight strip samples at different tensile rates

3.2 拉伸速率對啞鈴型試樣力學性能測試結果的影響

表2是啞鈴型試樣在4種不同拉伸速率下進行拉伸試驗的結果。從表2中可以看出，啞鈴型試樣在不同拉伸速率下的抗拉強度、屈服強度和延伸率均達到標準要求，并且斷裂位置也都在有效標距內，屬于合格數據。

抗拉強度、屈服強度和延伸率與拉伸速率之間的變化關系如圖2、圖3和圖4所示。從圖2～4中可以看出，在不同拉伸速率下，不同編號的啞鈴型試樣的抗拉強度、屈服強度和延伸率差別不大，均在誤差范圍內。可見，拉伸速率的大小對啞鈴型試樣力學性能測試結果影響很小。

圖2 拉伸速率對抗拉強度的影響Fig.2 Influence of tensile rate on tensile strength

圖3 拉伸速率對屈服強度的影響Fig.3 Influence of tensile rate on yield strength

圖4 拉伸速率對延伸率的影響Fig.4 Influence of the tensile rate on the elongation

3.3 拉伸試樣類型對力學性能測試結果的影響

對比表1和表2可知，直條型試樣在不同拉伸速率下幾乎都有一半的試樣斷裂位置在夾頭內，屬于無效測試結果，而啞鈴型試樣在不同拉伸速率下的試樣均在有效標距內斷裂，屬于有效測試結果。可見，拉伸試樣的類型對厚度為0.05mm的薄鋼帶力學性能測試結果具有很大的影響，使用啞鈴型拉伸試樣可以提高薄鋼帶的一次檢驗合格率。

3.4 表面加工狀態對力學性能測試結果的影響

在GB/T 4239-1991中對于試樣表面狀態的規定是允許鋼帶試樣表面有劃痕、壓痕等缺陷[1]。圖5和圖6分別是正常鋼帶試樣和表面有壓痕鋼帶試樣的SEM圖片，表面有壓痕啞鈴型鋼帶試樣的拉伸試驗結果如表3所示。從表3中可以看出，表面有壓痕鋼帶試樣拉伸斷裂后的部位均在有效標距內，所以測出來的數據都是有效數據，抗拉強度和屈服強度符合標準要求，但是延伸率都比標準值小，不符合要求。可見，試樣表面質量對測試結果影響很大。

表3 在不同拉伸速率下表面有壓痕啞鈴型 鋼帶試樣力學性能測試結果Tab.3 Results of mechanical properties of dumbbell-shaped samples with indentation on the surface at different tensile rates

圖5 正常鋼帶試樣Fig.5 Normal steel strip sample

圖6 表面有壓痕的鋼帶試樣Fig.6 Steel strip with indentation on the surface

4 結束語

本文從以上數據分析中可以得出以下結論：

(1)拉伸速率對厚度為0.05mm薄鋼帶的力學性能測試結果影響并不大；

(2)直條型試樣在拉伸過程中，約有一半的試樣斷裂在夾頭位置，為無效測試結果；啞鈴型試樣均斷裂在標距內，屬于有效測試結果；

(3)薄鋼帶的表面質量對拉伸試驗結果影響很大；

(4)建議對厚度為0.05mm薄鋼帶的力學性能測試時采用表面沒有缺陷的啞鈴型試樣，能提高檢驗一次合格率。