生產(chǎn)檢驗(yàn)中測(cè)試材料n值的方法

高驥天，李清松，楊功顯，張邦強(qiáng)

（東方汽輪機(jī)有限公司材料研究中心，四川 德陽 618000）

生產(chǎn)檢驗(yàn)中測(cè)試材料n值的方法

高驥天，李清松，楊功顯，張邦強(qiáng)

（東方汽輪機(jī)有限公司材料研究中心，四川 德陽 618000）

針對(duì)目前測(cè)試材料在高溫條件下應(yīng)變硬化指數(shù)n值無相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但針對(duì)超超臨界汽輪機(jī)組中所用材料在高溫條件下測(cè)試n值需求較大的狀況，采用CMT 5105萬能試驗(yàn)機(jī)在常溫和高溫條件下對(duì)汽輪機(jī)密封圈材料06Cr25Ni20測(cè)試真應(yīng)力—應(yīng)變曲線和n值，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)n值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。討論不同拉伸速率和取點(diǎn)數(shù)量對(duì)n值統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)取點(diǎn)數(shù)量達(dá)到或超過10點(diǎn)時(shí)，材料06Cr25Ni20在620℃的n值的離散程度明顯降低，其95%的置信區(qū)間更加精確。

彈塑性力學(xué)；方差分析；拉伸試驗(yàn)；硬化指數(shù)n值

0 引 言

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施，發(fā)電用汽輪機(jī)的功率越來越大，這對(duì)汽輪機(jī)密封部件的密封性能也提出了更高的要求。目前，采用密封環(huán)在工作狀態(tài)（620℃）時(shí)緊套和閥殼內(nèi)壁產(chǎn)生接觸實(shí)現(xiàn)局部塑性變形以保證汽密性，是汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)常用方式。材料在塑性過程中的變化情況和本構(gòu)關(guān)系可以通過真應(yīng)力—應(yīng)變曲線很好地反映[1]，并能以此確定軋制工藝[2]；真應(yīng)力—應(yīng)變曲線已用于包括鐵素體不銹鋼、汽車儀表盤[3]、TBM刀具鋼[4]材料的失效和力學(xué)行為的研究。同時(shí)，應(yīng)變硬化指數(shù)n值也可作為衡量材料形變強(qiáng)化的定量指標(biāo)[5]。目前測(cè)試高溫條件下的應(yīng)變硬化指數(shù)n值的原理參照常溫試驗(yàn)進(jìn)行，結(jié)合文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]，建立對(duì)圓柱體試樣在高溫拉伸中的真應(yīng)力真應(yīng)變的計(jì)算模型。但高溫條件下，溫度控制和應(yīng)變測(cè)量等因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，所以在保證溫度控制精度和應(yīng)變測(cè)量精度的前提下，適當(dāng)增加取點(diǎn)數(shù)量可以有效避免因測(cè)量原因而造成的計(jì)算結(jié)果的誤差[8-9]；而當(dāng)取點(diǎn)數(shù)量過多時(shí)，則會(huì)增加工作量，所以當(dāng)取點(diǎn)數(shù)量為10點(diǎn)最為適宜。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為奧氏體不銹鋼06Cr25Ni20，材料金相組織見圖1。為了保證計(jì)算結(jié)果不受爐次、原材料等因素的影響，本次試驗(yàn)取樣來源為一批原材料，同一爐次出爐。其制造工藝為鍛壓、1000～1150℃的固溶處理、850～950℃的去應(yīng)力退火，保溫60min后空冷。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，本次試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 06Cr25Ni20主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 06Cr25Ni20的金相組織

1.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)溫度分別為室溫、620℃；應(yīng)變速率對(duì)奧氏體不銹鋼的硬化指數(shù)存在敏感性[10-12]，所以設(shè)定高溫條件下的應(yīng)變速率為0.004/min，位移速率為0.2mm/min。

拉伸試樣均采用GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫 試驗(yàn)方法》中的R4試樣，工作直徑為10mm。為了保證拉伸試驗(yàn)的精度，在試樣上按照標(biāo)距長(zhǎng)度（L0=50 mm）加工凸臺(tái)，方便安裝引伸計(jì)導(dǎo)桿；引伸計(jì)導(dǎo)桿為對(duì)稱安裝，并用緊固環(huán)完全固定，以保證不會(huì)因?yàn)槭芰Φ仍虬l(fā)生偏移，造成測(cè)試誤差。將上下導(dǎo)桿通過插銷連接，在保證了插銷活動(dòng)自如后，安裝0.5級(jí)引伸計(jì)，如圖2所示。

高溫爐配備了3段熱電偶，分別用于測(cè)量試樣上中下3段溫度，均通過了計(jì)量認(rèn)證；當(dāng)且僅當(dāng)高溫爐溫度到達(dá)試驗(yàn)溫度，且上中下3段溫度相差3℃之內(nèi)時(shí)，開始保溫。

圖2 拉伸試樣和應(yīng)變測(cè)試裝置

2 結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 常溫真應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試和n值分析結(jié)果

圖3為06Cr25Ni20在常溫條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（縮頸以前）。

圖3 06Cr25Ni20常溫真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2、表3分別為06Cr25Ni20在常溫條件下的n值和根據(jù)其分布所得到的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 06Cr25Ni20常溫應(yīng)變硬化指數(shù)n值

表3 06Cr25Ni20常溫應(yīng)變硬化指數(shù)n值數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果

可以看出，分布離散程度很小，說明該材料性能均勻，從而保證高溫條件下材料不會(huì)因?yàn)樾阅懿痪鶆驅(qū)е掠?jì)算結(jié)果的較大偏差。

圖4 06Cr25Ni20 620℃真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（位移控制）

圖5 06Cr25Ni20 620℃真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（應(yīng)變控制）

2.2 高溫真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及常規(guī)力學(xué)性能

圖4和圖5為620℃下06Cr25Ni20的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線（縮頸以前）。其中，圖4采用位移控制，圖5采用的是應(yīng)變控制；材料硬化階段全程采用引伸計(jì)跟蹤標(biāo)距段的變形。

2.3 高溫應(yīng)變硬化指數(shù)n值及其分布

對(duì)不同控制方式條件下的曲線，采用不同的取點(diǎn)數(shù)量計(jì)算n值，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 06Cr25Ni20 620℃應(yīng)變硬化指數(shù)n值（位移控制）

表5 06Cr25Ni20 620℃應(yīng)變硬化指數(shù)n值（應(yīng)變控制）

表6 06Cr25Ni20 620℃應(yīng)變硬化指數(shù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值（位移控制）

表7 06Cr25Ni20 620℃應(yīng)變硬化指數(shù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值（應(yīng)變控制）

圖6 620℃下應(yīng)變硬化指數(shù)n值的標(biāo)準(zhǔn)差隨取點(diǎn)數(shù)目的分布

不同控制模式下，n值的標(biāo)準(zhǔn)差隨著取點(diǎn)數(shù)量的變化如圖6所示。相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值如表6和表7所示。

從圖6可以看出，采用位移控制得到的結(jié)果樣本離散程度相對(duì)較大，這是因?yàn)椴捎梦灰瓶刂茣r(shí)，拉伸試樣標(biāo)距段內(nèi)的變形并不是均勻變形，標(biāo)距段在縮頸之前變形程度的不一致，造成硬化程度的不同[8]；而采用應(yīng)變控制時(shí)，在縮頸前，試樣標(biāo)距段內(nèi)各處均勻變形，不會(huì)受到因試樣變形不均勻而導(dǎo)致硬化程度不同的影響。

通過表6、表7可以看出，7點(diǎn)法得到的樣本中結(jié)果偏差較大，且置信區(qū)間較寬，精度較低。隨著取點(diǎn)數(shù)量的增加，樣本的離散程度在不斷減小，置信區(qū)間也在不斷縮小，準(zhǔn)確度增加。這是因?yàn)楦邷貤l件下的拉伸試驗(yàn)影響因素較多，且取點(diǎn)數(shù)量較小時(shí)，偶然性因素的影響會(huì)增加，增加取點(diǎn)數(shù)量會(huì)減小這種偶然性因素的影響。

3 結(jié)束語

1）常溫條件下的試驗(yàn)證明材料的性能均勻，排除了因材料性能不均勻而造成高溫條件下n值的偏離。

2）高溫條件下計(jì)算材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n值，須采用應(yīng)變控制模式，減少因位移控制帶來的標(biāo)距段內(nèi)的變形程度不均勻，排除不均勻變形對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

3）在高溫條件下，增加取點(diǎn)數(shù)量會(huì)使樣本的分散性明顯減小，降低測(cè)量誤差和溫度均勻性等因素對(duì)結(jié)果的影響。而當(dāng)取點(diǎn)數(shù)量高于10點(diǎn)時(shí)，測(cè)量誤差和溫度均勻性等影響因素對(duì)結(jié)果的影響明顯減小，所以生產(chǎn)上所需要的高溫條件下的應(yīng)變硬化指數(shù)n值，可采用10點(diǎn)法計(jì)算。

[1]劉樹敏.鐵素體不銹鋼連鑄坯板的高溫力學(xué)行為研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

[2]周圣豐，方園，于艷，等.薄帶連鑄304不銹鋼高溫?zé)嶙冃螘r(shí)真應(yīng)力真應(yīng)變計(jì)算模型的研究[J].寶鋼技術(shù)，2005（4）：47-50.

[3]何業(yè)磊.汽車儀表板材料與頭部碰撞模擬分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[4]趙金華.高韌性TBM刀圈用鋼高溫變形行為及熱處理工藝研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2013.

[5]羅海文，趙沛.高溫拉伸試驗(yàn)中真應(yīng)力真應(yīng)變的計(jì)算及試驗(yàn)研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1998，10（3）：61-64.

[6]蘇紅英，隋曉紅，李文斌，等.拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)的測(cè)試及方法比較[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2011（11）：682-685.

[7]李玉蘭.真應(yīng)力-應(yīng)變的定義及其力學(xué)特征 [J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001（5）：58-60.

[8]譚洪峰，王萍，楊雷，等.應(yīng)變硬化指數(shù)n值與拉伸控制模式及拉伸速率關(guān)系的探討[J].理化檢驗(yàn)物理分冊(cè)，2010（11）：13-16.

[9]GB/T 10623—2008力學(xué)性能試驗(yàn)[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

[10]常東華，周曉，魏佰友.應(yīng)變硬化指數(shù)n值的測(cè)定與研究[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2006（5）：242-244.

[11]李成編.不銹鋼實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003：39-54.

[12]汪志福，孔韋海.應(yīng)變速率對(duì)304奧氏體不銹鋼應(yīng)變硬化行為的影響[J].壓力容器，2013，30（7）：6-11.

A test method in inspection for the tensile strain-hardening exponents（n-values）of metallic sheet materials

GAO Ji-tian，LI Qing-song，YANG Gong-xian，ZHANG Bang-qiang
（Materials Research Center，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

The test method for n-value of metallic materials under the condition of high temperature without corresponding testing standards，while the value is used largely at the latest generation steam turbine.The material 06Cr25Ni20 is used to machine the sealing part of the steam turbine and the n-Value of the material at room temperature and 620℃ need to be tested with the CMT 5105 testing machine.The result shows when number of points for calculating is more than 10，the n-Value and confidence interval is more accurate.

elastic and plastic mechanics；variance；tensile test；n-Value

TH873；TM311；TG115.5+2；TM930.2

：A

：1674-5124（2014）05-0036-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.009

2014-02-17；

：2014-05-05

高驥天（1990-），男，四川德陽市人，助理工程師，主要從事材料力學(xué)性能研究工作。