摘 要:针对热模拟压缩试验的试样小,且无法直接对其进行拉伸试验的问题,利用自制研发的 小试样夹具进行小试样拉伸试验。通过对8种不同强度级别的试样分别进行小试样拉伸试验及硬 度测试,分析二者的相关性;对比了小试样和标准拉伸试样的分析结果。结果表明:小试样和标准 拉伸试样的拉伸试验结果基本一致,抗拉强度标准偏差均小于3.00,用小试样可较准确地测定出 材料的抗拉强度。 

关键词:热模拟;拉伸夹具;抗拉强度;硬度 

中图分类号:TB331;TG115.5             文献标志码:A                        文章编号:1001-4012(2023)04-0001-03

在新产品研发、改进工艺时,通常会在热模拟机 上进行轧制模拟[1-2]、焊接热影响区模拟[3]、热处理、 测试过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线、等温转 变(TTT)曲线等模拟试验[4-6],而完成热模拟试验 的压 缩 圆 饼 试 样 高 度 只 有 12 mm,直 径 约 为 20mm,无法在常规试验机夹具上对其进行拉伸试 验,只能进行金相检验和硬度测试。如果需要得到 抗拉强度,通常要根据 GB/T1172—1999《黑色金 属硬度及强度换算值》标准,由硬度进行换算[7-9]。 硬度换算方法只是一种间接的方式,虽然效率高,但 是准确度难以判定,无法用该参数指导产品的力学 性能。对于海工钢、桥梁钢、低合金高强钢、管线钢、 船板钢等对强度指标要求特别高的材料,可以通过 热模拟试验摸索出合适的工艺参数,得到直观的抗 拉强度。笔者自制了小试样拉伸试验夹具[10-13],与 拉伸试验机连接,再进行一系列小试样拉伸试验,可 以较准确地测出材料的抗拉强度,对产品的研发具 有实际工程价值。

1 试样制备和试验方法 

1.1 试样制备 

将高度为12mm,直径约20mm 的热模拟试 验压缩圆饼试样加工成工字型小试样,其结构如图 1所示。工字型小试样的加工步骤及表面磨抛工艺 为:① 取已完成热模拟高温压缩试验的小圆饼试 样,用线切割方法沿小圆饼试样中部切割成直径为 20mm,厚度为1mm 的薄片;② 用磨样机磨抛薄片试样,使厚度均匀,表面粗糙度小于0.8μm,满足 GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部 分:室温试验方法》的要求;③ 用线切割方法将小圆 饼试 样 切 割 成 中 间 宽 度 为 2mm,平 行 长 度 为 8mm,过渡圆弧半径为2mm 的工字型试样;④ 用 磨样装置将试样表面和侧面进一步打磨,表面粗糙 度小于0.8μm。将模具钢加工成小尺寸工字型试 样夹具,其外观如图2所示。

1.2 试验方法 

检测依据GB/T228.1—2021标准。电子拉伸 试验机通过计量检定,精度为0.5级,试验机额定载 荷为±5kN,应变速率为1×10-3s-1。硬度测试选 用T2500型全自动维氏硬度计。

2 试验结果与讨论 

2.1 小试样拉伸试验结果 

选择8种不同强度级别的试样进行热模拟压缩 试验,将其加工成8组小尺寸拉伸试样,每组测试5 个试样,取平均值,表1为不同强度级别试样的抗拉 强度测试结果,可见强度为375~1279MPa,试样 断裂位置均在平行段,说明试样的形状设计、加工合 理,工字型夹具与试验机匹配,同轴度较好。

2.2 硬度测试结果 

在8组热模拟压缩圆饼试样余料上切取硬度试 样,经磨样机磨抛后,在全自动维氏硬度计上进行硬 度测试,设定载荷为49N,保载时间为12s,每个试样中间区域测试5个点,每个点的间隔为1mm,试 验结果如表2所示。试样的硬度为114~409HV, 依次增大,与所选材料的抗拉强度逐渐升高具有较 好的对应关系。

2.3 抗拉强度与维氏硬度的关系 

根据式(1),比较1# ~8# 试样的抗拉强度和维 氏硬度的对应关系,结果如表3所示。

式中:r 为相关系数;Rm 为抗拉强度;HV 为维氏 硬度。 

可见,试样的硬度与抗拉强度呈正比,随着抗拉 强度的升高,硬度也随之升高,实测抗拉强度与维氏 硬度的相关系数为3.1228~3.2895。 

2.4 验证试验 

因热模拟试样尺寸较小,无法将其加工成标准 拉伸试样,所以采用其他碳钢的标准拉伸试样和小 试样进行对比试验,来验证小试样测试结果的准 确性。 

2.4.1 方案1 

试样材料为 Q355钢,厚度为16mm,经过正火 处理,890℃保温,40min空冷,分别加工成规格为 2mm×1 mm(宽度 × 厚度),中间平行长度为8mm的哑铃状小试样和10mm(直径)标准试样, 拉伸试验时每组测试5个试样,结果如表4所示。

2.4.2 方案2 

选用厚度为1mm 的镀锌板,分别加工成规格 为2mm×1mm(宽度×厚度),中间平行长度为 8mm的哑铃状小试样和规格为12.5mm×1mm (宽度×厚度)的标准试样进行拉伸试验,结果如表 5所示。 

由表4,5可知:Q355钢小试样与标准试样的抗 拉强度标准偏差均为2.70;镀锌板小试样与标准试 样的抗拉强度标准偏差分别为1.48和1.00。这表 明小试样与标准拉伸试样的试验结果偏差较小,得 到的抗拉强度基本一致,二者可视为等效。

3 结论 

(1)根据圆饼试样规格设计了小试样,再通过 自制的工装夹具与拉伸试验机连接,解决了圆饼试 样无法进行拉伸试验的问题。 

(2)维氏硬度与抗拉强度呈正比,随着抗拉强度 的升高,硬度也随之升高,实测相关系数为3.1228~ 3.2895。 

(3)小试样和标准试样的拉伸试验结果基本一 致,标准偏差均小于3.00,表明小试样拉伸试验能 较准确地测定出材料的抗拉强度。

参考文献: 

[1] 潘津,吴京东,李慧颖,等.热模拟试验机 Gleeble3800在新钢的典型应用[J].江西冶金,2017,37(1): 34-36,39. 

[2] 罗龙,李丽荣,定巍.概述试验机Gleeble-1500D的热/ 力模拟技术[J].热处理技术与装备,2014,35(1):38- 41. 

[3] 李红卫,彭云,何长红,等.X60钢级管线钢焊接热影 响区的热模拟研究[J].钢管,2008,37(3):18-23. 

[4] 龙松朋,周旭东,李汉.由结构钢 TTT 曲线预测其 CCT曲线[J].河南科技大学学报(自然科学版), 2013,34(4):5-8. 

[5] 张鹏飞,杨柱,赵正阳,等.采用 CCT和 TTT曲线预 测感应淬火硬化层组织和硬度[J].金属热处理, 2018,43(3):76-81. 

[6] 吴晓燕,朱立光,梅国宏,等.DH36高强船板钢 CCT 曲线及针状铁素体形成研究[J].热加工工艺,2017, 46(24):41-44. 

[7] 张树勋,冯照平,王浩,等.建筑钢结构用钢材硬度与 强度之间的关系[J].理化检验(物理分册),2021,57 (6):27-34. 

[8] 程孝成,乔亚杰,倪兴华.QCr0.5铬青铜带布氏、洛 氏、韦氏硬度、强度的对比测试与换算[J].理化检验 (物理分册),2013,49(2):91-94. 

[9] 徐海生,韩迎春,张勇.铬钼系冷镦钢布氏硬度与抗拉 强度相关关系的研究[J].山西冶金,2021,44(6):16- 18,22. 

[10] 曹云松,鲍振鑫,陈清.拉伸夹具与试验机的不同连接 方式探讨[J].福建建材,2015(1):20-22,38. 

[11] 李建明,农语婷,石丽仙,等.非标准金属拉伸试样及 夹具的设计与制备[J].广西民族大学学报(自然科学 版),2017,23(1):60-63. 

[12] 冯建友.板材单向热拉伸试验夹具的改进设计与应用 [J].机械工程与自动化,2014(3):87-88. 

[13] 王萍.高强螺栓实物拉伸试验夹具的研制及应用[J]. 工程与试验,2013,53(3):61-64.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 4期 (pp:1-3)>