爆炸復(fù)合板剪切試樣加工和試驗(yàn)影響因素

范廣森，王常青，陸帥(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

在石化行業(yè)涉及腐蝕性介質(zhì)時(shí)，設(shè)備選材需要用到高合金材料或者內(nèi)襯專用塑料等，內(nèi)襯防腐塑料的適用范圍較小，若使用整體耐腐蝕材料制造，材料成本和加工制造成本會(huì)非常不經(jīng)濟(jì)，因此金屬復(fù)合材料是一個(gè)優(yōu)秀的解決方案，它可以結(jié)合基材的強(qiáng)度和復(fù)層的抗腐蝕性，在成本控制方面有極大優(yōu)勢(shì)，也符合當(dāng)今講求發(fā)展高效經(jīng)濟(jì)的趨勢(shì)。復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度，尤其是基層和復(fù)層之間的剪切強(qiáng)度，是衡量其能否保證產(chǎn)品使用質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文主要以銀與不銹鋼復(fù)合板剪切試驗(yàn)實(shí)例(爆炸復(fù)合方式)，討論試樣形狀和剪切試驗(yàn)過程參數(shù)的影響。文中涉及的復(fù)合板規(guī)格為：筒體(δ1.5+δ26)×1715×4985 mm，封頭：(δ1.5+δ25)×Φ2050 mm。

1 最終剪切試樣取樣的形狀

GB/T 6396—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)復(fù)合板總厚度T≤10 mm時(shí)，可用拉剪試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，美標(biāo)ASTM B898及ASTM A265標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)薄板做單獨(dú)的規(guī)定。本文僅討論剪切試驗(yàn)，不討論拉剪試驗(yàn)。基層板較薄的情況下試驗(yàn)時(shí)，基層容易彎曲影響試驗(yàn)精度，可以參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的工裝進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，國標(biāo)和美標(biāo)的試樣規(guī)格總體是相似的，主要差異是：

(1)國標(biāo)復(fù)層前側(cè)有一個(gè)3×0.5(寬×深)mm溝槽；

(2)國標(biāo)對(duì)上下表面平齊度進(jìn)行了要求；

(3)美標(biāo)對(duì)復(fù)層厚度進(jìn)行了限制，當(dāng)復(fù)層厚度大于3.2 mm時(shí)需機(jī)加工去除余量到3.2 mm(max)；

(4)國標(biāo)對(duì)各表面的粗糙度進(jìn)行要求；

(5)國標(biāo)對(duì)復(fù)層寬度進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，ASTM B898對(duì)寬度的要求比較寬泛。但ASTM B898引用的剪切試驗(yàn)規(guī)范ASTM A265中要求復(fù)層厚度a≤1/8英寸，即最大厚度3.17 mm，同時(shí)復(fù)層寬度限制為W=3a/2。

國標(biāo)要求在覆層后部基層板上加工出一個(gè)0.5 mm深的凹坑，可徹底去除后部殘余覆層的影響，提高試驗(yàn)值的準(zhǔn)確性。美標(biāo)沒有明確對(duì)各表面的垂直度、平行度進(jìn)行要求，不過為保證順利試驗(yàn)并保證結(jié)果準(zhǔn)確，在機(jī)加過程也必須保證一定精度。國標(biāo)對(duì)于試樣表面粗糙度的要求以及試樣與工裝間隙保證在0.1～0.15 mm，美標(biāo)為0.005 inch(0.127 mm)，是防止夾頭與試樣基層表面接觸影響試驗(yàn)結(jié)果。美標(biāo)中對(duì)試樣上復(fù)層厚度進(jìn)行了限制，應(yīng)該是為了去除多余的復(fù)層，以減少對(duì)剪切過程的影響。中美標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)層的寬度都限制在比較小的尺寸，這是因?yàn)楫?dāng)復(fù)層寬度過大時(shí)，容易出現(xiàn)復(fù)層的滑移，本實(shí)例中銀材料質(zhì)軟，結(jié)合面的強(qiáng)度大，在取樣試驗(yàn)中多次出現(xiàn)斷裂在銀層或者銀層滑移的現(xiàn)象，如圖2所示，無法得到結(jié)合面的剪切值的準(zhǔn)確值。

國標(biāo)與美標(biāo)比較，兩者的試樣形狀大體相同，國標(biāo)對(duì)試樣的要求更具體一些，特別是復(fù)層后側(cè)溝槽的要求，國標(biāo)的要求更加細(xì)致規(guī)范，也更能保證最終結(jié)果真實(shí)。

2 試樣加工方式

標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)試樣加工做細(xì)致要求，試樣的加工有多種方法，應(yīng)盡量減少加工過程對(duì)試樣的熱影響或加工應(yīng)力等。通常使用的加工方式有線切割和機(jī)加工的方法。

剪切試樣的機(jī)加工過程如下：

(1)鋸—用鋸床加工60×700 mm的原始樣，取出剪切試樣毛坯；

(2)刨—用刨床將剪切試樣毛坯兩側(cè)刨平，確定試樣寬度，打磨掉毛刺；

(3)車—用車床將刨床加工過后的試樣兩頭車平齊，定下試樣長(zhǎng)度；

(4)銑—用銑床銑去多余的復(fù)層，確定復(fù)層寬度，打磨掉毛刺，通過以上加工過程，得到最終的試樣形態(tài)。

在某項(xiàng)目中，同一批次的鈦+不銹鋼316L復(fù)合板的原始樣，復(fù)合板供應(yīng)商和買方廠家分別取樣加工和試驗(yàn)差異較大，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

經(jīng)雙方商討后，重新取樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取16006-70和16006-21批次各四個(gè)樣品(各兩個(gè))，樣品均為復(fù)合板廠家的檢驗(yàn)中心采用機(jī)械加工方式進(jìn)行加工，雙方分別按之前方法進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示(單位MPa)。

通過表1發(fā)現(xiàn)兩方測(cè)試結(jié)果整體差異很大；表2所示兩邊試驗(yàn)時(shí)對(duì)兩個(gè)板號(hào)分別做兩個(gè)試樣，16006-70批次平均差值約50 MPa，16006-21批次平均差值約40 MPa，但采用機(jī)加工方法后，買方測(cè)試的剪切值提升明顯。綜合表1和表2結(jié)果得出結(jié)論：線切割加工方式對(duì)試驗(yàn)的剪切結(jié)果存在較大的影響，機(jī)械加工方法更為合理。

表1 線切割測(cè)試與機(jī)械加工試樣測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：MPa

表2 兩方試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：MPa

3 試驗(yàn)過程參數(shù)控制

GB/T 6396—2008與ASTM A265—2012中對(duì)試驗(yàn)工裝及夾持的要求總體相似，國標(biāo)對(duì)與復(fù)層接觸的工裝倒角要求R＜0.1，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)要求與試樣和工裝垂直度要求在0.03 mm范圍內(nèi)。

GB/T 6396—2008規(guī)定：工裝硬度不低于400 HV，剪切刀刃處不低于600 HV。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)按照GB/T 228中規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)載荷應(yīng)力F垂直作用與試樣基材的中心線上。同時(shí)，根據(jù)不同復(fù)材彈性模量規(guī)定了不同試驗(yàn)剪切應(yīng)力速率范圍，如表3所示，美標(biāo)沒有明確的要求。因此相對(duì)于美標(biāo)，國標(biāo)更加詳細(xì)。如果約定的是按照美標(biāo)取樣和試驗(yàn)，在美標(biāo)未明確的地方，可以參考國標(biāo)執(zhí)行。

表3 剪切試驗(yàn)應(yīng)力速率

4 試驗(yàn)結(jié)果及偏差分析

GB/T 8547—2006標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)合率100%的剪切強(qiáng)度≥196 MPa，其他類的≥140 MPa，ASTM B898標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)剪切強(qiáng)度要求≥20 000 psi(127.9 MPa)。對(duì)于鈦復(fù)合板的剪切試樣結(jié)果一般如圖1所示(執(zhí)行國標(biāo)的試樣)，而銀板的剪切試樣結(jié)果存在如圖2所示(執(zhí)行美標(biāo)的試樣)的情況，圖2復(fù)層材料出現(xiàn)了滑移，即試驗(yàn)結(jié)束后，部分復(fù)層材料粘結(jié)在了基層上。

圖1 鈦與不銹鋼復(fù)合板剪切試樣

圖2 銀與不銹鋼復(fù)合板剪切試樣

鈦復(fù)合板的覆層會(huì)脫落，且邊界分明，而銀復(fù)合板的覆層一般在載荷已經(jīng)下降后(可判定試驗(yàn)結(jié)束)，也未能與基層完全脫離。主要原因是鈦板強(qiáng)度和硬度較高，銀質(zhì)軟，銀覆層的斷裂一般不是嚴(yán)格的界面上，是偏向于銀層側(cè)發(fā)生滑移。考慮銀復(fù)合板在此種情況下取得的試驗(yàn)結(jié)果也滿足＞140 MPa，可以推測(cè)結(jié)合面的實(shí)際剪切強(qiáng)度肯定＞140 MPa，因此試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，判定剪切試驗(yàn)合格。微觀角度來講，結(jié)合界面并非一條理想的曲線而是一個(gè)有元素?cái)U(kuò)散的過渡區(qū)域，通常復(fù)合板厚度的均勻性、取樣的部位和界面的平直度都會(huì)影響界面的確定從而影響結(jié)合強(qiáng)度的準(zhǔn)確性[2]。

在本文的研究案例中，出現(xiàn)了業(yè)主自己做試驗(yàn)(試樣亦本廠加工)取得的剪切強(qiáng)度普遍低于復(fù)合板廠所得數(shù)據(jù)40 MPa左右，以至部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有滿足140 MPa的最低要求情況，復(fù)合板廠技術(shù)人員到業(yè)主方的理化室實(shí)地檢查后，分析的原因如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)建議試驗(yàn)機(jī)測(cè)試時(shí)力值滿足試驗(yàn)機(jī)噸位的10%～90%，復(fù)合板廠采用20噸試驗(yàn)機(jī)，業(yè)主方采用試驗(yàn)機(jī)噸位60噸(600 kN)，業(yè)主方采用60噸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試時(shí)測(cè)試強(qiáng)度180 MPa時(shí)力值大約為20 kN，采用大噸位試驗(yàn)機(jī)測(cè)試小力值試樣精度不高。

(2)標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)速率應(yīng)滿足3～15 N/mm2·s(強(qiáng)度大于150 MPa)，復(fù)合板廠理化中心可以控制試驗(yàn)速率滿足要求，業(yè)主方試驗(yàn)機(jī)無法精確控制試驗(yàn)速度，速率不確定全靠實(shí)驗(yàn)員經(jīng)驗(yàn)控制。

(3)業(yè)主方試驗(yàn)機(jī)在加載過程中力值加載不連續(xù)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

(4)業(yè)主方剪切工裝夾具不穩(wěn)定，存在缺陷。底座應(yīng)盡量保證水平，自配底座未自調(diào)整，底座配合剪切工裝時(shí)如果受力不同軸影響剪切試驗(yàn)結(jié)果。

以上問題，需要試驗(yàn)人員認(rèn)真、周全考慮各影響因素，選取合適的試驗(yàn)機(jī)器和試驗(yàn)方法，才能取得更加符合實(shí)際的試驗(yàn)值。如果有必要，雙方可以協(xié)商約定測(cè)試方法。

5 結(jié)語

復(fù)合板的剪切試樣取樣位置、取樣方向、試樣加工方法、試樣尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生影響：

(1)用于制備試樣的板料和樣坯的切取和機(jī)加工，應(yīng)避免產(chǎn)生表面加工硬化及熱影響改變材料的力學(xué)性能。做剪切試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選用合適的機(jī)器和夾持方法，也是為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

(2)試驗(yàn)機(jī)器和工裝的選用、試驗(yàn)時(shí)剪切速度確定應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)取樣應(yīng)留有余料，防止試驗(yàn)不合格而能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)取樣，以及可能需要的仲裁。當(dāng)各方數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，應(yīng)協(xié)商后考慮多做幾組對(duì)比試驗(yàn)，排除人為因素和機(jī)器的影響因素。

(4)對(duì)于銀等貴重金屬的復(fù)合板，還要考慮到取樣的經(jīng)濟(jì)性，不能產(chǎn)生過多的廢邊角料。至于選用國標(biāo)試樣，或者美標(biāo)試樣，兩者本身的差別不大，要根據(jù)合同要求選取，在細(xì)節(jié)處國標(biāo)更完善，應(yīng)參考執(zhí)行。

試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)最終產(chǎn)品的重要性不言而喻，為取得最合適的試驗(yàn)值，需要每一個(gè)步驟的周密考量和規(guī)范操作。對(duì)于可能存在爭(zhēng)議的過程，應(yīng)提前進(jìn)行協(xié)議約定。