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。
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