于 湃,刘天钊,刘俊博,王 林,吴 莉,孙 奇

(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司产检中心 理化检测室,沈阳 110043)

摘 要:通过对钢索的产品技术要求、钢索组成结构、试样夹持方式、试验参数等方面进行分析, 提出了一种钢索钢丝绳断后伸长率测试的新方法。试验结果表明:采用新试验工艺、专用工装及大 量程引伸计进行断后伸长率测试,不仅能够锁紧试样,而且又不损伤试样,拉伸过程符合 GB/T 228.1—2010的要求。该方法填补了实验室的检测空白,获得了可靠的试验数据,满足了产品使用 部门的测试需求。

关键词:钢索钢丝绳;拉伸试验;工装夹具;断后伸长率;比对试验

中图分类号:TG115.5+2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)09-0023-04

依据 GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》的要求及钢索结构的特殊 性,在测试钢索的拉伸性能时,应在测试其破断拉力 的拉伸过程中,实时动态地测试钢索的断后伸长率, 并配置专用试验机、专用工装和检测软件进行测试。 实验室现有试验条件可以开展破断拉力测试,但不 具备实时动态断后伸长率的测试能力,因此一直未 开展该项测试。为满足生产部门的测试需求,笔者 研究了带接头钢索钢丝绳断后伸长率测试的新方 法,利用实验室现有设备和测试条件实现了钢索断 后伸长率的测试,获得了准确可靠的钢索力学性能 数据。

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

采用入厂复验0Cr18Ni9钢带接头的钢索钢丝 绳,将钢索外部的铠装铜丝脱去,取轴心部分进行试 验,钢索钢丝绳的力学性能应符合企业要求,其破断 拉力应大于9000N,断后伸长率应小于1.0%,钢 索结构及轴心横截面如图1所示。

1.2 试验设备

试验选用能够自动采集测试数据的电子拉力试验 机,其负荷精度为±0.5%,应变测试精度为±0.5%,采 集间隔为0.5ms,设备能够自动绘制试验曲线和记录 试验数据,其夹具能使试样正确地承受负荷,并保证其 同心度满足 GB/T228.1—2010的要求,且试样上产生 的最大弯曲应变不超过轴向应变的15%,引伸计选用 大量程全自动测试,量程为1000mm。

2 新测试方法

依据 GB/T228.1—2010,利用设备自带软件提 前编写试验程序,使试验机按要求进行加载、保载、 卸载等一系列连续动作,以实现自动控制,也可以切 换到手动控制完成断后伸长率的测试。完成断后伸 长率测试之后,继续不间断地以恒定的试验速率持 续加载,直到试样断裂,以得到试样的破断拉力。 2.1 专用工装 钢索由外面的铠装不锈钢丝和铜丝包裹,里面 由多股细丝组成,因此试验时无法采用螺纹连接方 式对其进行装夹。采用液压式楔形夹持方式进行拉 伸试验的结果显示:当液压压力过大时,试样端部易 被夹扁而产生应力集中,并且夹持端单股细丝出现 了连续的过早断裂,使试样不断振动,无法实施断后 伸长率测试;当液压压力过小时,试样因夹持不牢而 出现打滑或拉脱,无法判断试样的断裂位置。采用 小载荷平板夹持方式,则无法夹紧试样,因此现有的 试验装夹方式均不适合钢索断后伸长率的测试,必 须研制出专用工装,才能做到既将试样夹持牢固,又 不损伤试样,从而保证试验有效。 根据钢索结构特点设计出两种工装,第一种工 装采用圆盘缠绕+凸轮锁紧方式,其连接拉伸过程 如图2所示。由图2可知,这种工装夹持牢固,不易 出现打滑现象,为避免夹持时因应力集中而使试样 在非平行段位置断裂,故将其设计成上、下夹具经圆 盘缠绕和凸轮锁紧,但夹持部分需要一定的长度,因 此该工装夹具仅适合长试样的拉伸试验,无法完成 长度在1000mm 以下短试样的断后伸长率测试。 第二种工装采用组合式的锁紧方式,即将工装 设计成带2块有 V 型槽口的组合夹块,采用螺栓和 螺帽连接的方式使试样夹持部分均匀受力并牢固锁 紧(见图3)。采用该工装夹具进行试验时,试样不 易出现打滑,避免了应力集中,试样在有效位置断 裂,因其平行段之外的夹持部分相对较短,故该工装夹具适合不同长度试样的测试。此外,该工装夹具 还具备加工简单、方便操作的优点,因此,此次试验 采用第二种工装夹具。

2.2 应变速率

试验时的应变速率对拉伸试验结果有一定的影 响,即抗拉强度随着应变速率的增大而减小,静态断 后伸长率随着应变速率的增大而增大。因为之前没 有开展过钢索动态断后伸长率的测试,所以有必要 分析应变速率对试样破断拉力和动态断后伸长率的 影响,才能制定合理的试验应变速率。依据 GB/T 228.1—2010,塑性范围内试样平行长度的应变速率 不应超过0.008s -1。不同应变速率下断后伸长率 和破断拉力的测试结果如图4,5所示。

从图4可以看出:选用不同的应变速率对试样 断后伸长率测试结果影响不大,断后伸长率平均值 基本在0.9047%上下波动,且随着应变速率增大略 有降低,当应变速率不小于0.008s -1 时,试样的断 后伸长率趋于平稳,采用0.010s -1 应变速率时,试 样出现过一次打滑现象,重新夹持后完成试验。 从图5可以看出:随着应变速率的增大,试样的 破 断 拉 力 呈 逐 步 下 降 趋 势,当 应 变 速 率 为 0.006s -1 时,曲线趋于平稳,表明应变速率增加到一 定值时,对试验结果影响作用不大[1] ;应变速率过慢 会使测试效率变低,应变速率过快试样会出现打滑现 象,即应变速率过慢或过快都会影响测试的一次成功 率,因此比较合理的试验应变速率为0.006s -1。 2.3 标距标记方法 钢索试样在拉伸时没有明显的集中变形,而是 整体均匀伸长,因此必须保证足够长的标距,才能真 实反映出试样的塑性指标。试样的总长度应不小于 460mm,除去钢索两端夹持所需的余量外,应保持 试样 平 行 段 长 度 不 小 于 200 mm,以 便 于 安 装 引 伸计。 钢索由多股细丝组成,横截面呈不规则的几何 形状,因此常规试样标距的标记方法不适用,应探索 其他方法进行标记。采用大量程引伸计法可直接将 引伸计的标距作为试样标距,无需在试样上进行原 始标距的标定。因钢索表面存在油渍,在试样延伸 过程中,引伸计夹持端不易夹紧,在引伸计跟踪钢索 的变形位移过程中,试样会间断出现打滑现象,故可 以用丙酮或酒精擦洗试样被夹持的部分来避免试样打滑。 因 此,试 样 平 行 段 内 的 标 距 长 度 选 定 为 100mm,与生产厂家的要求相一致。

3 结果验证

3.1 结果可靠性分析

采用新测试方法在不同型号的试验机 分别对试样进行拉伸试验,试验速率在屈服 A 前 ,B 均 上 为 0.1mm/min,屈服后均为2 mm/min,测试结果如 表1所示。由表1可知,采用新测试方法在不同型 号试验机上获得的试样抗拉强度、屈服强度和断后 伸长率结果的平均值和标准方差均一致,表明新测 试方法得到的数据可靠。

3.2 结果有效性分析

选用3个钢索试样进行断后伸长率测试,随后 以恒定速率持续加载试样,直至试样被拉断,从而得 出试样的破断拉力测试结果,结果显示:3个试样的 断后伸长率均小于1.0%,破断拉力均满足最小破 断拉力,属于有效试验,试验结果合格。拉断后试样 的宏观形貌如图6所示。

3.3 结果准确性分析

为考察一次试验成功率及试验结果的准确性, 将试验数据与厂家数据进行对比。取20个同炉批 次入厂的复验余料进行断后伸长率测试,试验数据 与厂家数据的对比结果如图7所示。从图7可知: 试验的一次成功率可达100%,试验数据与厂家数 据曲线的变化趋势一致,大部分数据相等(曲线上的 点重合);其中,厂家数据的标准方差为6.266,试验 数据的标准方差为5.989。采用 F检验法检验试验 数据和厂 家 数 据 的 标 准 方 差 是 否 相 同,取 显 著 度 α=5%时,两组数据的自由度均为19,其中 Fα (接 受区间的上限为)1.81,F(厂家数据方差与试验数 据方差的比值)为1.05,由于F<Fα,表明两组数据 标准方差无显著差异,即两组数据结果具有一致性。 说明新测试方法得到的试验数据能够真实地反映出 钢索的力学性能指标。

4 综合分析

由上述分析结果可知,试验过程使用的工装夹 具、应变速率和标距方法是影响测试结果的关键因 素。采用新测试方法在不同型号试验机上得到的试 样力学性能测试结果一致,说明新测试方法采用的 工装夹具、应变速率与标距方法符合要求。试验数 据与厂家数据的对比结果显示,两组数据的平均值 和标准方差均一致,说明二者测试水平相当,试验结 果互为认证。此外,依据JJF1059—1999 《测量不 确定度评定与表示》,对试验数据进行不确定度评 估,发现试验数据(除个别异常数据)均落在置信度 区间95%内,说明试验结果精确可靠。

5 结语及建议

采用钢索钢丝绳断后伸长率的新测试方法,一 次试验成功率达到90%以上,数据稳定可靠,填补 了检测空白,达到攻关目标。此方法不仅获得了更 加全面的力学性能指标,而且为设计和使用部门提 供了试验支持。该方法可直接应用于产品的日常科 研生产性能测试中。 建议开展标距为200mm 和300mm 的断后伸 长率测试,以适应各种尺寸钢索钢丝绳的性能测试。

参考文献: [1] 《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册 第2卷 变形高温合金 铸造高温合金[M].北京:中国 标准出版社,1989.