摘 要:針對熱模擬壓縮試驗的試樣小,且無法直接對其進行拉伸試驗的問題,利用自制研發的 小試樣夾具進行小試樣拉伸試驗。通過對8種不同強度級別的試樣分別進行小試樣拉伸試驗及硬 度測試,分析二者的相關性;對比了小試樣和標準拉伸試樣的分析結果。結果表明:小試樣和標準 拉伸試樣的拉伸試驗結果基本一致,抗拉強度標準偏差均小于3.00,用小試樣可較準確地測定出 材料的抗拉強度。
關鍵詞:熱模擬;拉伸夾具;抗拉強度;硬度
中圖分類號:TB331;TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)04-0001-03
在新產品研發、改進工藝時,通常會在熱模擬機 上進行軋制模擬[1-2]、焊接熱影響區模擬[3]、熱處理、 測試過冷奧氏體連續冷卻轉變(CCT)曲線、等溫轉 變(TTT)曲線等模擬試驗[4-6],而完成熱模擬試驗 的壓 縮 圓 餅 試 樣 高 度 只 有 12 mm,直 徑 約 為 20mm,無法在常規試驗機夾具上對其進行拉伸試 驗,只能進行金相檢驗和硬度測試。如果需要得到 抗拉強度,通常要根據 GB/T1172—1999《黑色金 屬硬度及強度換算值》標準,由硬度進行換算[7-9]。 硬度換算方法只是一種間接的方式,雖然效率高,但 是準確度難以判定,無法用該參數指導產品的力學 性能。對于海工鋼、橋梁鋼、低合金高強鋼、管線鋼、 船板鋼等對強度指標要求特別高的材料,可以通過 熱模擬試驗摸索出合適的工藝參數,得到直觀的抗 拉強度。筆者自制了小試樣拉伸試驗夾具[10-13],與 拉伸試驗機連接,再進行一系列小試樣拉伸試驗,可 以較準確地測出材料的抗拉強度,對產品的研發具 有實際工程價值。
1 試樣制備和試驗方法
1.1 試樣制備
將高度為12mm,直徑約20mm 的熱模擬試 驗壓縮圓餅試樣加工成工字型小試樣,其結構如圖 1所示。工字型小試樣的加工步驟及表面磨拋工藝 為:① 取已完成熱模擬高溫壓縮試驗的小圓餅試 樣,用線切割方法沿小圓餅試樣中部切割成直徑為 20mm,厚度為1mm 的薄片;② 用磨樣機磨拋薄片試樣,使厚度均勻,表面粗糙度小于0.8μm,滿足 GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部 分:室溫試驗方法》的要求;③ 用線切割方法將小圓 餅試 樣 切 割 成 中 間 寬 度 為 2mm,平 行 長 度 為 8mm,過渡圓弧半徑為2mm 的工字型試樣;④ 用 磨樣裝置將試樣表面和側面進一步打磨,表面粗糙 度小于0.8μm。將模具鋼加工成小尺寸工字型試 樣夾具,其外觀如圖2所示。
1.2 試驗方法
檢測依據GB/T228.1—2021標準。電子拉伸 試驗機通過計量檢定,精度為0.5級,試驗機額定載 荷為±5kN,應變速率為1×10-3s-1。硬度測試選 用T2500型全自動維氏硬度計。
2 試驗結果與討論
2.1 小試樣拉伸試驗結果
選擇8種不同強度級別的試樣進行熱模擬壓縮 試驗,將其加工成8組小尺寸拉伸試樣,每組測試5 個試樣,取平均值,表1為不同強度級別試樣的抗拉 強度測試結果,可見強度為375~1279MPa,試樣 斷裂位置均在平行段,說明試樣的形狀設計、加工合 理,工字型夾具與試驗機匹配,同軸度較好。
2.2 硬度測試結果
在8組熱模擬壓縮圓餅試樣余料上切取硬度試 樣,經磨樣機磨拋后,在全自動維氏硬度計上進行硬 度測試,設定載荷為49N,保載時間為12s,每個試樣中間區域測試5個點,每個點的間隔為1mm,試 驗結果如表2所示。試樣的硬度為114~409HV, 依次增大,與所選材料的抗拉強度逐漸升高具有較 好的對應關系。
2.3 抗拉強度與維氏硬度的關系
根據式(1),比較1# ~8# 試樣的抗拉強度和維 氏硬度的對應關系,結果如表3所示。
式中:r 為相關系數;Rm 為抗拉強度;HV 為維氏 硬度。
可見,試樣的硬度與抗拉強度呈正比,隨著抗拉 強度的升高,硬度也隨之升高,實測抗拉強度與維氏 硬度的相關系數為3.1228~3.2895。
2.4 驗證試驗
因熱模擬試樣尺寸較小,無法將其加工成標準 拉伸試樣,所以采用其他碳鋼的標準拉伸試樣和小 試樣進行對比試驗,來驗證小試樣測試結果的準 確性。
2.4.1 方案1
試樣材料為 Q355鋼,厚度為16mm,經過正火 處理,890℃保溫,40min空冷,分別加工成規格為 2mm×1 mm(寬度 × 厚度),中間平行長度為8mm的啞鈴狀小試樣和10mm(直徑)標準試樣, 拉伸試驗時每組測試5個試樣,結果如表4所示。
2.4.2 方案2
選用厚度為1mm 的鍍鋅板,分別加工成規格 為2mm×1mm(寬度×厚度),中間平行長度為 8mm的啞鈴狀小試樣和規格為12.5mm×1mm (寬度×厚度)的標準試樣進行拉伸試驗,結果如表 5所示。
由表4,5可知:Q355鋼小試樣與標準試樣的抗 拉強度標準偏差均為2.70;鍍鋅板小試樣與標準試 樣的抗拉強度標準偏差分別為1.48和1.00。這表 明小試樣與標準拉伸試樣的試驗結果偏差較小,得 到的抗拉強度基本一致,二者可視為等效。
3 結論
(1)根據圓餅試樣規格設計了小試樣,再通過 自制的工裝夾具與拉伸試驗機連接,解決了圓餅試 樣無法進行拉伸試驗的問題。
(2)維氏硬度與抗拉強度呈正比,隨著抗拉強度 的升高,硬度也隨之升高,實測相關系數為3.1228~3.2895。
(3)小試樣和標準試樣的拉伸試驗結果基本一 致,標準偏差均小于3.00,表明小試樣拉伸試驗能 較準確地測定出材料的抗拉強度。
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