低合金Cr-Ni-Mo鋼規(guī)定比例極限與規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度關(guān)系的研究

梁波 許梅 李萍 張宏

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，包頭 014033)

多年以來(lái)，國(guó)際上通常用材料力學(xué)性能指標(biāo) “規(guī)定比例極限”作為一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)收的主要參數(shù)，到了上世紀(jì)70年代，隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和測(cè)試手段的不斷完善與提高，多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已不再采用這一概念，取而代之的是用規(guī)定一定的非比例延伸率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度作為“規(guī)定比例極限”。如美國(guó)頒布的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E21建議，用非比例延伸率達(dá)0.02%時(shí)的應(yīng)力作為規(guī)定比例極限，原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)госг1497-1973規(guī)定非比例延伸率達(dá)0.05%時(shí)的應(yīng)力作為彈性極限[1]。

為了與國(guó)際慣例接軌，我國(guó)于1987年頒布了GB 228-1987《金屬拉伸試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892-1984《金屬材料-拉伸試驗(yàn)》修訂。GB 228-1987取消了規(guī)定比例極限的測(cè)定，建議在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議進(jìn)行修訂時(shí)，將“規(guī)定比例極限”改為相應(yīng)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度[2]，但沒(méi)有規(guī)定非比例延伸率的具體數(shù)值。

我國(guó)的兵器行業(yè)低合金Cr-Ni-Mo鋼一直采用比例極限作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)收技術(shù)條件，而當(dāng)今國(guó)際上非比例延伸強(qiáng)度已被日益廣泛地應(yīng)用(如美國(guó)該類(lèi)材料產(chǎn)品驗(yàn)收的技術(shù)條件為非比例率達(dá)0.1% 時(shí)的應(yīng)力σ0.1)，比例極限的測(cè)試方法在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已被取消，但由于我國(guó)沒(méi)有該類(lèi)材料比例極限和非比例延伸率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，迄今為止該類(lèi)材料產(chǎn)品仍然采用比例極限作為產(chǎn)品驗(yàn)收的技術(shù)條件。

筆者建立了該類(lèi)材料產(chǎn)品規(guī)定比例極限與規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的關(guān)系，即比例極限對(duì)應(yīng)的非比例延伸率數(shù)值，最終用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度來(lái)代替比例極限。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 鋼種選擇

該實(shí)驗(yàn)用的鋼種為：35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo。每個(gè)鋼種的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 3個(gè)鋼種的化學(xué)成分 %

1.2 加工試樣及熱處理

(1)每個(gè)鋼種加工35個(gè)試樣毛坯，試樣毛坯尺寸為20 mm×20 mm×90 mm。

(2)3個(gè)鋼種的熱處理工藝：正火溫度為870℃，保溫40 min,空氣冷卻至室溫；淬火溫度為850℃，保溫40 min，油冷至室溫；回火溫度分別為500、520、540、560、580、600、620℃，保溫60 min，空氣冷卻至室溫。每個(gè)回火溫度取5個(gè)試樣毛坯。

(3)將試樣毛坯按上述關(guān)于進(jìn)行熱處理，熱處理后按GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工成R5標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.3 測(cè)量規(guī)定比例極限σp50對(duì)應(yīng)的非比例延伸率εp50

(1)測(cè)量不同回火溫度下3個(gè)鋼種的規(guī)定比例極限σp50對(duì)應(yīng)的非比例延伸率εp50。

(2)分別測(cè)量規(guī)定比例極限σp50和規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)的非比例延伸率εp50，力-變形曲線見(jiàn)圖1。

規(guī)定比例極限σp50：試樣拉伸到拉伸曲線上的一定試驗(yàn)力FP點(diǎn)時(shí)，試驗(yàn)力與伸長(zhǎng)間已不成直線關(guān)系而產(chǎn)生規(guī)定程度的偏差，即通過(guò)該點(diǎn)的切線與實(shí)驗(yàn)力軸間夾角的正切值已較其在彈性直線部分之值增加50%(tgθ2=2tgθ1)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)之應(yīng)力即為所試材料的規(guī)定比例極限[3]。

圖1 力-變形曲線

規(guī)定比例極限按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：σp50——規(guī)定比例極限，N/mm2；

FP——規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，N；

S0——原始橫截面積，mm2。

規(guī)定比例極限σp50對(duì)應(yīng)的非比例延伸率按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：εp50——規(guī)定比例極限σp50對(duì)應(yīng)的非比例延伸率，%；

Lp——規(guī)定比例極限σp50對(duì)應(yīng)的非比例變形量，mm；

Le——引伸計(jì)標(biāo)距，mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)理統(tǒng)計(jì)

利用35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同回火溫度的規(guī)定比例極限σp50對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50分布頻率圖見(jiàn)圖2-4。規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50正態(tài)性檢驗(yàn)：按照GB/T 4882-2001《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋 正態(tài)性檢驗(yàn)》對(duì)測(cè)量的規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果樣本數(shù)量(8≤n≤50)和選擇無(wú)方向檢驗(yàn)中的夏皮洛-威爾克(Shapiro-Wilk)檢驗(yàn)[4]。

表2 不同回火溫度的測(cè)量結(jié)果

圖2 35CrNi3MoV鋼εp50分布頻率圖

圖3 35CrNi3Mo鋼εp50分布頻率圖

圖4 35CrNi1Mo鋼εp50分布頻率圖

2.1 35CrNi3MoV鋼試驗(yàn)結(jié)果

規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50的測(cè)量值夏皮洛-威爾克檢驗(yàn),按測(cè)量值的大小，從小到大排列[5]：0.00 0152(5個(gè))<0.000 16(2個(gè))<0.000 168(4個(gè))<0.000 176(11個(gè))<0.000 184(3個(gè))<0.000 192(5個(gè))<0.000 2(4個(gè))<0.000216(1個(gè))。

查GB/T 4882-2001表10,當(dāng)n=35時(shí)αk值分別為α1=0.409 8，α2=0.283 4，α3=0.242 7，α4=0.212 7，α5=0.188 3，α6=0.167 3，α7=0.148 7，α8=0.131 7，α9=0.116 0，α10=0.101 3，α11=0.087 3，α12=0.073 9，α13=0.061 0，α14=0.048 4，α15=0.036 1，α16=0.023 9，α17=0.011 9。

利用公式(3)計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量W：

(3)

2.2 35CrNi3Mo鋼試驗(yàn)結(jié)果

規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50的測(cè)量值夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)：按測(cè)量值從小到大排列為：0.000 1(5個(gè))<0.000 104(2個(gè))<0.000 112(2個(gè))<0.000 128(12個(gè))<0.000 144(4個(gè))<0.000 152(7個(gè))<0.000 16(2個(gè))<0.000 176(1個(gè))。

按照2.1同樣處理，求得W=0.939，結(jié)果顯示W(wǎng)>p，表明35CrNi3Mo鋼規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50測(cè)量值遵從正態(tài)分布。

2.3 35CrNi1Mo鋼試驗(yàn)結(jié)果

規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50的測(cè)量值夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)：按測(cè)量值的大小，從小到大排列為：0.000 12(5個(gè))<0.000 136(5個(gè))<0.000 152(16個(gè))<0.000 16(3個(gè))<0.000 176(5個(gè))<0.000 2(1個(gè))。

按照2.1同樣處理，求得W=1.07，結(jié)果顯示W(wǎng)>p，表明35CrNi1Mo鋼規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50測(cè)量值遵從正態(tài)分布。

2.4 規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50測(cè)量結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

計(jì)算求得35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo鋼規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50測(cè)量結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.001 6%、0.002 1%、0.001 9%。

3 結(jié)論

(1)35CrNi3MoV、35CrNi3Mo、35CrNi1Mo 3個(gè)鋼種比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50測(cè)量值遵從正態(tài)分布，不隨強(qiáng)度的變化而改變。

(2)35CrNi3MoV鋼規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50為0.018%，用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP 0.018來(lái)代替比例極限。

(3)35CrNi3Mo鋼規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50為0.013%，用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP 0.013來(lái)代替比例極限。

(4)35CrNi1Mo鋼規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)非比例延伸率εp50為0.015%，用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP 0.015來(lái)代替比例極限。

[1]梁新邦 ，李久林.GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》實(shí)施指南[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：13.

[2]GB 228-1987 金屬拉伸試驗(yàn)方法[S].

[3]GB 228-1976 金屬拉伸試驗(yàn)法[S].

[4]GB/T 4882-2001 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋 正態(tài)性檢驗(yàn)[S].

[5] 于振凡，等.數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋[M].2版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：151.