摘 要:針對(duì)熱模擬壓縮試驗(yàn)的試樣小,且無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的問(wèn)題,利用自制研發(fā)的 小試樣夾具進(jìn)行小試樣拉伸試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)8種不同強(qiáng)度級(jí)別的試樣分別進(jìn)行小試樣拉伸試驗(yàn)及硬 度測(cè)試,分析二者的相關(guān)性;對(duì)比了小試樣和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的分析結(jié)果。結(jié)果表明:小試樣和標(biāo)準(zhǔn) 拉伸試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果基本一致,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3.00,用小試樣可較準(zhǔn)確地測(cè)定出 材料的抗拉強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞:熱模擬;拉伸夾具;抗拉強(qiáng)度;硬度

中圖分類(lèi)號(hào):TB331;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)04-0001-03

在新產(chǎn)品研發(fā)、改進(jìn)工藝時(shí),通常會(huì)在熱模擬機(jī) 上進(jìn)行軋制模擬[1-2]、焊接熱影響區(qū)模擬[3]、熱處理、 測(cè)試過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線(xiàn)、等溫轉(zhuǎn) 變(TTT)曲線(xiàn)等模擬試驗(yàn)[4-6],而完成熱模擬試驗(yàn) 的壓 縮 圓 餅 試 樣 高 度 只 有 12 mm,直 徑 約 為 20mm,無(wú)法在常規(guī)試驗(yàn)機(jī)夾具上對(duì)其進(jìn)行拉伸試 驗(yàn),只能進(jìn)行金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)試。如果需要得到 抗拉強(qiáng)度,通常要根據(jù) GB/T1172—1999《黑色金 屬硬度及強(qiáng)度換算值》標(biāo)準(zhǔn),由硬度進(jìn)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(zhǔn)確度難以判定,無(wú)法用該參數(shù)指導(dǎo)產(chǎn)品的力學(xué) 性能。對(duì)于海工鋼、橋梁鋼、低合金高強(qiáng)鋼、管線(xiàn)鋼、 船板鋼等對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)要求特別高的材料,可以通過(guò) 熱模擬試驗(yàn)摸索出合適的工藝參數(shù),得到直觀的抗 拉強(qiáng)度。筆者自制了小試樣拉伸試驗(yàn)夾具[10-13],與 拉伸試驗(yàn)機(jī)連接,再進(jìn)行一系列小試樣拉伸試驗(yàn),可 以較準(zhǔn)確地測(cè)出材料的抗拉強(qiáng)度,對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)具 有實(shí)際工程價(jià)值。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

將高度為12mm,直徑約20mm 的熱模擬試 驗(yàn)壓縮圓餅試樣加工成工字型小試樣,其結(jié)構(gòu)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(yàn)的小圓餅試 樣,用線(xiàn)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(jī)磨拋薄片試樣,使厚度均勻,表面粗糙度小于0.8μm,滿(mǎn)足 GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部 分:室溫試驗(yàn)方法》的要求;③ 用線(xiàn)切割方法將小圓 餅試 樣 切 割 成 中 間 寬 度 為 2mm,平 行 長(zhǎng) 度 為 8mm,過(guò)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(cè)面進(jìn)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(yàn)方法

檢測(cè)依據(jù)GB/T228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)。電子拉伸 試驗(yàn)機(jī)通過(guò)計(jì)量檢定,精度為0.5級(jí),試驗(yàn)機(jī)額定載 荷為±5kN,應(yīng)變速率為1×10-3s-1。硬度測(cè)試選 用T2500型全自動(dòng)維氏硬度計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 小試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

選擇8種不同強(qiáng)度級(jí)別的試樣進(jìn)行熱模擬壓縮 試驗(yàn),將其加工成8組小尺寸拉伸試樣,每組測(cè)試5 個(gè)試樣,取平均值,表1為不同強(qiáng)度級(jí)別試樣的抗拉 強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,可見(jiàn)強(qiáng)度為375~1279MPa,試樣 斷裂位置均在平行段,說(shuō)明試樣的形狀設(shè)計(jì)、加工合 理,工字型夾具與試驗(yàn)機(jī)匹配,同軸度較好。

2.2 硬度測(cè)試結(jié)果

在8組熱模擬壓縮圓餅試樣余料上切取硬度試 樣,經(jīng)磨樣機(jī)磨拋后,在全自動(dòng)維氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬 度測(cè)試,設(shè)定載荷為49N,保載時(shí)間為12s,每個(gè)試樣中間區(qū)域測(cè)試5個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)的間隔為1mm,試 驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度逐漸升高具有較 好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 抗拉強(qiáng)度與維氏硬度的關(guān)系

根據(jù)式(1),比較1# ~8# 試樣的抗拉強(qiáng)度和維 氏硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)果如表3所示。

式中:r 為相關(guān)系數(shù);Rm 為抗拉強(qiáng)度;HV 為維氏 硬度。

可見(jiàn),試樣的硬度與抗拉強(qiáng)度呈正比,隨著抗拉 強(qiáng)度的升高,硬度也隨之升高,實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度與維氏 硬度的相關(guān)系數(shù)為3.1228~3.2895。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

因熱模擬試樣尺寸較小,無(wú)法將其加工成標(biāo)準(zhǔn) 拉伸試樣,所以采用其他碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和小 試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證小試樣測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn) 確性。

2.4.1 方案1

試樣材料為 Q355鋼,厚度為16mm,經(jīng)過(guò)正火 處理,890℃保溫,40min空冷,分別加工成規(guī)格為 2mm×1 mm(寬度 × 厚度),中間平行長(zhǎng)度為8mm的啞鈴狀小試樣和10mm(直徑)標(biāo)準(zhǔn)試樣, 拉伸試驗(yàn)時(shí)每組測(cè)試5個(gè)試樣,結(jié)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(guī)格 為2mm×1mm(寬度×厚度),中間平行長(zhǎng)度為 8mm的啞鈴狀小試樣和規(guī)格為12.5mm×1mm (寬度×厚度)的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表 5所示。

由表4,5可知:Q355鋼小試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗 拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差均為2.70;鍍鋅板小試樣與標(biāo)準(zhǔn)試 樣的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.48和1.00。這表 明小試樣與標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果偏差較小,得 到的抗拉強(qiáng)度基本一致,二者可視為等效。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)圓餅試樣規(guī)格設(shè)計(jì)了小試樣,再通過(guò) 自制的工裝夾具與拉伸試驗(yàn)機(jī)連接,解決了圓餅試 樣無(wú)法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的問(wèn)題。

(2)維氏硬度與抗拉強(qiáng)度呈正比,隨著抗拉強(qiáng)度 的升高,硬度也隨之升高,實(shí)測(cè)相關(guān)系數(shù)為3.1228~3.2895。

(3)小試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果基本一 致,標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3.00,表明小試樣拉伸試驗(yàn)?zāi)? 較準(zhǔn)確地測(cè)定出材料的抗拉強(qiáng)度。

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