分享：引伸计对不同材料屈服强度测试值的影响

丁 阳,顾佳磊,谢晓宇

(上海电气核电设备有限公司,上海 ２０１３０６)

摘 要:分别对有明显屈服和无明显屈服的材料进行室温、高温拉伸试验,对比了使用引伸计与未使用引伸计所测试的屈服强度的差异,同时结合力Ｇ变形曲线和力Ｇ位移曲线,探讨了使用引伸计和未使用引伸计测得的屈服强度不一致的原因.结果表明:室温拉伸实验时,对于无明显屈服的材料,装夹引伸计测得的屈服强度小于未装夹引伸计测得的;对于有明显屈服的材料,装夹引伸计与不装夹引伸计测得的屈服强度相差不大;高温拉伸实验时,无明显屈服的材料和有明显屈服的材料,在装夹引伸计时测得的屈服强度均小于不装夹引伸计时测得的.

关键词:拉伸试验;引伸计;屈服强度;力Ｇ变形曲线;力Ｇ位移曲线

中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０１７５Ｇ０６

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试验材料

为了研究 有 连 续 屈 服 和 无 连 续 屈 服 的 材 料,以及当试验 温 度 变 化 时,装 夹 引 伸 计 对 屈 服 强 度测试值的 影 响,分 别 在 室 温、高 温 条 件 下,选 取 不同的 材 料 (有 明 显 屈 服 阶 段 的 合 金 焊 接 钢 材 料UnionS３NiMo１/UV４２０TTR,无 明 显 屈 服 阶 段 的不锈钢材料 ER３０８L 和镍基材料 ERNiCrFeＧ７A),分别通过横梁位移速率或引伸计进行应变速率控制的拉伸试验.本次试验所选择的材料在核电蒸发器和压力 容 器 都 有 广 泛 的 应 用,其 化 学 成 分 见表１.

１．２ 试验设备

拉伸试验采用 WDWＧ２０E 型微机控制电子万能试验 机,其 最 大 载 荷 为 ２００kN,引 伸 计 型 号 为３５４２Ｇ０５０MＧ０１０ＧST,量程为５mm,可用于测定室温及高温的屈服强度.

１．３ 试验方法 

加工一系列标准圆棒拉伸试样,在室温２３℃拉 伸 试 验 中,选 取 两 种 不 同 的 材 料,分 别 是 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合 金 钢 焊 材 和 ERNiCrFeＧ７A 镍基材料,前者有明显的屈服阶段, 后者没有明显的屈服阶段.每种材料分别取１０根 拉伸试样,其中５根试样在试验过程中装夹引伸计, 在力Ｇ变形曲线上读取对应的变形力Fp０．２;另５根试 样在试验过程中不装夹引伸计,通过力Ｇ位移曲线作 图法得到 位 移 力 Fp０．２,并 分 别 求 得 平 均 值 进 行 对 比.有研究表明试验速率增加会使屈服强度和抗拉 强度的测定值增大[３],因此对于使用了引伸计的拉 伸试验,其应变试验速率统一设置为０．０００２５s－１, 对于没有使用引伸计的拉伸试验,其拉伸速率统一 设置为０．９ mm??min－１,这两个参数的设置可以保 证这几组试验拉伸速率的一致性,从而排除拉伸速 率对试验结果的影响.

上述两种速率的设置参考了 最新的室温拉伸试验标准 GB/T２２８．１－２０１０«金属 材料 拉伸试验 第１部分:室温试验方法»[４].随后, 任选一条装夹引伸计的拉伸曲线,通过分析力Ｇ变形 曲线以及力Ｇ位移曲线来找出两者之间的规律,从而 分析变形力Fp０．２与位移力Fp０．２之间的关系. 在高温拉伸试验中,试验温度设置为核电蒸发 器及压力容器常用的３５０ ℃,选取其他两种不同的 材料,分别为 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合 金 钢 焊材与 ER３０８L 不锈钢材料,与室温拉伸试验的过 程和分析方法相类似,每种材料分别取１０根拉伸试 样,其中 ５ 根 试 样 在 试 验 过 程 中 装 夹 引 伸 计,在 力Ｇ变形曲线上读取对应的变形力Fp０．２;另５根试样 在试验过程中不装夹引伸计,通过力Ｇ位移曲线作图 法得到位移力 Fp０．２,并分别求得平均值进行对比. 高温拉伸试验速率的设置,对于使用了引伸计的拉 伸试验,其应变试验速率统一设置为０．０００２５s－１, 对于没有使用引伸计的拉伸试验,其拉伸速率统一 设置为０．９ mm??min－１,上述两种速率的设置参考 了最新的高温拉伸试验标准 GB/T２２８．２－２０１５«金 属材料 拉伸试验 第２部分:高温试验方法»[５]. 

２ 试验结果与讨论 

２．１ 室温拉伸试验结果分析

 ２．１．１ 无明显屈服拉伸试验结果分析 

表２为 ERNiCrFeＧ７A 镍基材料装夹引伸计的 拉伸试验结果所对应的变形曲线上的变形力 Fp０．２ 和屈服强度 Rp０．２,表３为 ERNiCrFeＧ７A 镍基材料 不装夹引伸计的拉伸试验结果所对应位移曲线上的 位移力 Fp０．２和屈服强度 Rp０．２.对比表２和表３的 结果,可见装夹引伸计并通过力Ｇ变形曲线读取变形 力Fp０．２的数值小于不装夹引伸计并通过力Ｇ位移曲 线读取位移力Fp０．２的数值,同时前者得到的屈服强 度Rp０．２也小于后者得到的屈服强度Rp０．２,两者之间 相差大约１．１％. 选取表２和表３中带∗的试样作为代表进行分 析,其对应的力Ｇ变形和力Ｇ位移曲线分别如图１和 图２所示.其中力Ｇ变形曲线中的变形力Fp０．２直接 由 软 件 读 取,如 图 １ 所 示, 变 形 力 Fp０．２ 为 ３９．５０８kN;力Ｇ位移曲线则是先将曲线图打印出来,然后在０．２mm 位移处作一条与曲线弹性段平行的直线,其 与 曲 线 相 交 点 所 对 应 的 力 即 为 位 移 力Fp０．２,结果为３９．９４kN.很明显变形力Fp０．２＜位移力Fp０．２,两者之间的差距大约为 １．１％,与表 ２ 和表３中的数据对比基本相符合.继续观察力Ｇ变形与力Ｇ位移曲线,可以发现变形曲线上 弹 性 段 起 点、终 点 所 对 应 的 力 值 分 别 为８．２８２kN和２７．８１７kN,明显要先于位移曲线上的弹性 段 起 点、终 点 所 对 应 的 力 １０．５１７ kN 和３２．４９２kN.由于试验机具有一定的柔度和刚度,因此力Ｇ位移曲线上所对应的位移其实是整台设备共同的位移距离,而引伸计所探测到的变形则要比通过横梁位移所测到的更为灵敏,其探测到的是试样平行段的变形.而无论是力Ｇ变形曲线还是力Ｇ位移曲线,其本质都是通过作弹性段的平行线来测得屈服强度的数值,前者是引伸计采集的数据,而后者是仪器本身位移传感器采集的数据,因此在位移曲线上反映出来的就是平行线的斜率要小于变形曲线上的斜率,而对于无明显屈服的材料来说,试验中的力是在不断地增加的,画平行线的位移量越大得到的屈服强度越高.

２．１．２ 有明显屈服拉伸试验结果分析

表４为 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合金钢焊材装夹引伸计的拉伸试验结果所对应的变形曲线上的 变 形 力 Fp０．２ 和 屈 服 强 度 Rp０．２,表 ５ 为UnionS３NiMo１/UV４２０TTR合金钢焊材不装夹引伸计的拉伸试验结果所对应位移曲线上的位移力Fp０．２和屈服强度Rp０．２.对比表４和表５的结果,装夹引伸计并通过力Ｇ变形曲线读取变形力 Fp０．２的数值与不装夹引伸计并通过力Ｇ位移曲线读取位移力Fp０．２的数 值 非 常 接 近,同 时 前 者 得 到 的 屈 服 强 度Rp０．２与后者得到的屈服强度Rp０．２也相差不多.选取表４和表５中带∗的试样作为代表进行分析,其对应的力Ｇ变形以及力Ｇ位移曲线分别如图 ３和图 ４ 所 示. 根 据 力Ｇ变 形 曲 线 变 形 力 Fp０．２ 为７０．３３６kN,而根据力Ｇ位移曲线所作出的平行于弹性段的位移画图法的位移力 Fp０．２ 为７０．３８６kN,变形力Fp０．２ 与位移力 Fp０．２ 几乎相等.由于对明显屈服的材料来说,弹性段的直线段相对来说变化很小,即其斜率变化不大,因此尽管与无屈服材料的弹性段起点、终点情况相类似,也存在力Ｇ变形曲线上的弹性段起点、终点所对应的力值要早于力Ｇ位移曲线度来说,前后的位置差异对于屈服强度的选点也几乎没有任何影响,因此对于不连续屈服的材料来说,可以认为通过引伸计力Ｇ变形曲线以及力Ｇ位移曲线所得到的屈服强度相差无几.

２．２ 高温拉伸试验结果分析

２．２．１ 无明显屈服拉伸试验结果分析

表６为 ER３０８L不锈钢材料装夹引伸计在高温下的拉伸试验结果所对应的变形曲线上的变形力Fp０．２和屈服强度Rp０．２,表７为 ER３０８L 不锈钢材料不装夹引伸计在高温下的拉伸试验结果所对应位移曲线上的位移力 Fp０．２ 和屈服强度 Rp０．２.对比表 ６和表７的结果,装夹引伸计并通过力Ｇ变形曲线读取变形力Fp０．２的数值小于不装夹引伸计并通过力Ｇ位移曲线来读取位移力Fp０．２的数值,同时前者的屈服强度Rp０．２也小于后者的屈服强度Rp０．２,两者之间相差大约０．９％

选取表６和表７中带∗的试样作为代表进行分析,其相应的力Ｇ变形以及力Ｇ位移曲线分别如图 ５和图６所示.根据力Ｇ变形曲线即引伸计选点的变形力Fp０．２为２２．４０９kN,而根据力Ｇ位移曲线所作出的 平 行 与 弹 性 段 的 位 移 画 图 法 的 位 移 力Fp０．２ 为２２．６３６kN,两者相差约１．０％,与室温情况相类似,也是由于弹性段做平行线的斜率较小,采用０．２mm位移量位移曲线中位移力 Fp０．２ 大于变形曲线中变形力Fp０．２.

２．２．２ 有明显屈服拉伸试验结果分析

表８为 UnionS３NiMo１/UV４２０TTR 合金钢焊材装夹引伸计在高温下的拉伸试验结果所对应的变形曲线上的变形力 Fp０．２ 和屈服强度 Rp０．２,表 ９ 为UnionS３NiMo１/UV４２０TTR合金钢焊材不装夹引伸计在高温下的拉伸试验结果所对应位移曲线上的位移力 Fp０．２和屈服强度 Rp０．２.对比表８和表９的结果,装夹引伸计并通过力Ｇ变形曲线来读取变形力Fp０．２的数值小于不装夹引伸计并通过力Ｇ位移曲线来读取位 移 力 Fp０．２ 的 数 值,同 时 前 者 的 屈 服 强 度Rp０．２也小于后者的屈服强度Rp０．２,两者之间相差大约０．５％.

选取表８和表９中带∗的试样作为代表进行分析,其相应的力Ｇ变形以及力Ｇ位移曲线分别如图 ７和图８所示.根据力Ｇ变形曲线即引伸计选点的变形力Fp０．２为６０．７５５kN,而根据力Ｇ位移曲线所作出的平行 与 弹 性 段 的 位 移 画 图 法 的 位 移 力 Fp０．２ 为６１．０４６kN,两者相差约０．５％,与表８和表９中的数据相吻合.

在高温下位移力Fp０．２与变形力Fp０．２相差很小,之所以会产生这种截然相反的情况,是因为当合金钢材料加热到３５０ ℃以后,材料的某些特性发生了变化,从而使得原来明显的屈服阶段消失,转而变成类似于镍基以及不锈钢材料的形式,此时的变形力Fp０．２与位移力 Fp０．２ 之间的关系不能套用室温下的情况,弹性段做平行线的斜率较小,导致与曲线相交点更靠后,从而导致了位移曲线中的位移力Fp０．２大于变形曲线中的变形力Fp０．２.

３ 结论

(１)对 于 室 温 拉 伸 试 验,通 过 分 析 力Ｇ变 形 与力Ｇ位移曲线,发现由于引伸计所探测到的变形比通过横梁位移所测到的更为灵敏,其探测到的是试样平行段 的 变 形,导 致 无 明 显 屈 服 材 料 的 变 形 力Fp０．２＜位移力Fp０．２,故由此计算得到的屈服强度亦如此;而对于有明显屈服的材料,由于当力值达到上屈服点之后,开始缓慢地下降,在下降一段之后力值有一段保持不变的过程,因此平行线距离对于强度取点的影响非常小,故变形力Fp０．２与位移力Fp０．２相差很小,可忽略不计,两种方法测得的屈服强度亦差别不大.

(２)对 于 高 温 拉 伸 试 验,通 过 分 析 力Ｇ变 形 与力Ｇ位移曲线,发现对于无明显屈服的材料,类似于室温拉伸的原理,也是由于弹性段做平行线的斜率较小,从 而 导 致 与 曲 线 的 相 交 点 更 靠 后,变 形 力Fp０．２＜位移力Fp０．２,故由此计算得到的屈服强度亦如此;而对于有明显屈服的材料,由于在高温试验中,原来明显的屈服阶段消失,转而变成类似于镍基

以及不锈钢材料的形式,类比无明显屈服材料的原理,导致变形力 Fp０．２＜位移力 Fp０．２,相应地由此计算得到的屈服强度亦前者小于后者.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 3期 > pp.175）