液壓夾具夾持力對金屬材料室溫拉伸曲線的影響及處理

包凱迪，王呈利，張慶欣，董男平

(遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

液壓夾具夾持力對金屬材料室溫拉伸曲線的影響及處理

包凱迪，王呈利，張慶欣，董男平

(遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

針對日常檢測中金屬材料室溫拉伸曲線出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，分析材料試驗機液壓夾具夾持力大小對金屬材料室溫拉伸曲線的影響情況。結(jié)果表明：液壓夾具夾持力對拉伸曲線的影響不可忽視，應(yīng)注意觀察試樣最大拉力并適時調(diào)整夾具夾持力；在判明曲線異常為液壓夾具夾持力所致時，應(yīng)人為處理曲線得出正確測試結(jié)果。

金屬材料；拉伸曲線；液壓夾具夾持力；科學處理

通過拉伸試驗可以測得金屬材料的彈性模量、泊松比、屈服強度、規(guī)定非比例延伸強度、抗拉強度、應(yīng)變硬化指數(shù)等基本力學性能指標。拉伸試驗通常用材料拉伸試驗機來完成，目前試驗機的夾具主要有手動、氣動、液壓夾具等，液壓夾具因其具有操作方便、夾持力可調(diào)等優(yōu)點而被廣泛選用。在拉伸試驗過程中，影響拉伸曲線的因素很多，如試樣的粗糙度、試驗機精度、拉伸速度等，這些影響因素的控制要求在GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[1]中都有明確規(guī)定，但在工作中發(fā)現(xiàn)，液壓夾具夾持力(由油壓控制)對拉伸曲線的影響較大，選擇的夾持力偏大或偏小都會使拉伸曲線變形失真，此時對拉伸曲線的適當處理顯得至關(guān)重要，而這方面的研究報道較少，為此本文分析液壓夾具夾持力影響拉伸曲線的幾種情況及處理方法。

1 試驗材料和方法

試驗所用材料為油管用調(diào)質(zhì)態(tài)4140、13Cr，根據(jù)文獻[1-2]中的相關(guān)規(guī)定，制備同規(guī)格的夾持式標準圓形拉伸試樣。試驗方法嚴格執(zhí)行GB/T 228.1A224。試驗設(shè)備為深圳新三思的CMT5305型電子萬能試驗機(液壓夾具)，試驗機油箱上油壓和試驗力之間合適的比例標識可供試驗者參考(如表1)，但試驗力的不可預(yù)知使油壓的選擇只能憑經(jīng)驗而定，偏差不可避免。

表1 根據(jù)試驗力選擇油壓

2 試樣的制備

用調(diào)質(zhì)態(tài)4140或13Cr的試塊制備成直徑為12.5mm、平行長度為65mm的縱向標準圓形室溫拉伸夾持試樣，試樣的加工精度完全相同且符合相關(guān)要求[3-4]。

3 試驗結(jié)果分析與處理

3.1 夾持力偏小對拉伸曲線的影響及處理

3.1.1 拉伸曲線彈性段中部出現(xiàn)抖動

室溫拉伸試驗最常見的異常是試樣與夾具間打滑導(dǎo)致拉伸曲線彈性段中部出現(xiàn)抖動。圖1是夾具油壓為4MPa時調(diào)質(zhì)態(tài)4140的室溫拉伸曲線，最大拉力98.84kN相對應(yīng)的油壓應(yīng)不小于6MPa，所選4MPa的油壓顯然過小，油壓偏小使得夾持力不足，造成曲線彈性段中部出現(xiàn)明顯抖動，但在抖動點前后都遵從虎克定律(呈直線)，曲線完整，且在屈服階段存在明顯的拐點，所以只需將彈性段起點移到抖動點以上位置，彈性段終點取在拐點附近，即能得到準確的檢測結(jié)果。

圖1 彈性段中部抖動的曲線及處理

3.1.2 接近屈服點的位置出現(xiàn)雙拐點

拉伸曲線在彈性段靠近屈服點的位置提前出現(xiàn)拐點，然后繼續(xù)遵從虎克定律前行，到達屈服點時再次出現(xiàn)屈服拐點，貌似兩次屈服，此時較難確定真正的屈服點，需要試驗人員通過對材料特性的了解，結(jié)合最大拉力和油壓的選擇關(guān)系做出正確判斷。圖2是夾具油壓為7MPa時調(diào)質(zhì)態(tài)4140的室溫拉伸曲線，試樣硬度為335HBW10/3000，從合金鋼材料的抗拉強度Rm≈3HBW[5-6]看，所測強度與硬度相符，如此高強度的材料不應(yīng)出現(xiàn)如此寬度的屈服平臺，且在第1拐點后曲線仍遵從虎克定律，所以第1拐點并非真屈服，是夾具油壓偏小造成夾持力小于拉力引起的試樣打滑所致；第2拐點才是真正的屈服點，應(yīng)按圖2所示處理曲線，將平臺以上的部分平行左移，使彈性階段、屈服階段與加工硬化階段光滑對接[7]，然后用兩點法存取彈性段起點和終點，平移切線獲取規(guī)定塑性延伸強度FP0.2，處理結(jié)果見表2。

3.1.3 屈服階段向應(yīng)變硬化的過渡段缺失

調(diào)質(zhì)態(tài)13Cr取兩個平行試樣，分別選用夾具油壓為4MPa和7MPa，其它拉伸條件完全相同的狀態(tài)下進行室溫拉伸試驗。7MPa的拉伸曲線正常，而4MPa的拉伸曲線在屈服階段向應(yīng)變硬化(加工硬化)階段過度時出現(xiàn)異常，其原因是下鉗口夾板與下鉗口座接觸面內(nèi)可能有氧化皮等較硬雜物形成了機械間隙；隨著拉力的增大，夾持力不足和機械間隙在屈服階段向應(yīng)變硬化階段過渡時影響了試驗機的響應(yīng)速率和實時性[8]，此時應(yīng)按光滑對接原則將曲線對接完整后人為處理，從而得到正確的處理結(jié)果(見圖3、表3)。

圖2 雙拐點的曲線及處理

表2 平行試樣的正常檢測值與異常曲線處理后的檢測結(jié)果

圖3 4MPa油壓時的異常拉伸曲線及處理

3.2 夾持力偏大對拉伸曲線的影響及處理

對于材質(zhì)較軟或試樣較小的金屬材料室溫拉伸試驗，往往會出現(xiàn)夾具油壓(夾持力)選擇偏大的現(xiàn)象，試驗初始階段夾持力偏大使夾持端產(chǎn)生塑性變形，彈性段起始部分呈弧線狀，到彈性中段才開始遵循虎克定律。圖4是夾具油壓為8MPa時調(diào)質(zhì)態(tài)13Cr的室溫拉伸曲線。試驗初期因油壓較大，使拉伸試樣所受夾持力偏大而產(chǎn)生夾持端的塑性變形，影響了彈性段初期的線性，軸向拉力與夾持力平衡后才回歸正常狀態(tài)。對這種特征明顯的變形曲線，不難做出正確判斷，只要在遵循虎克定理的彈性段部分正常存取特征點即可。

表3 平行試樣的正常值與異常曲線處理前后的檢測結(jié)果

圖4 夾持力偏大時異常拉伸曲線的處理

4 結(jié)論

(1)材料試驗機液壓夾具夾持力大小會對拉伸曲線造成不可忽視的影響。

(2)試驗人員應(yīng)根據(jù)材料特性，選擇合適的夾具油壓，隨時注意油壓控制的夾持力對曲線的影響并調(diào)整油壓。

(3)在判明曲線異常是由油壓控制的夾具夾持力引起時，應(yīng)人為處理曲線，以得到正確的測試結(jié)果。

[1]GB/T 228.1-2010,金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法[S].

[2]ASTM A370-2010,Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products[S].

[3]GB/T 2975-1998,鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置和試樣制備[S].

[4]田廣明.試樣加工對金屬材料拉伸性能的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2011,47(6):379-381.

[5]GB/T 1172-1999,黑色金屬硬度及強度換算值[S].

[6]韓德偉.金屬硬度檢測技術(shù)手冊[M](第2版).長沙：中南大學出版社,2007.

[7] 陳玉坤,余征躍,王熙.材料拉伸試驗曲線的光滑對接[J].實驗室研究與探索,1999,18(5):86-88.

[8]高永,吳錢穎,楊雷崗,等.電子萬能材料試驗機系統(tǒng)如何適應(yīng)應(yīng)變控制要求[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(4):254-256.

(責任編輯：趙麗琴)

Effect of Hydraulic Clamping Force on the Metal Material Room Temperature Tensile Curve and the Processing Method for It

BAO Kaidi,WANG Chengli,ZHANG Qingxin,DONG Nanping

(Liaoshen Industrial Group Co.,Ltd.，Shenyang 110045，China)

Aiming at the abnormal phenomenon of the routine detection of metal materials at room temperature tensile curve.The effect of the material testing machine hydraulic fixture clamping force size on the room temperature tensile curve of metal materials has been analyzed.The results show that the effect of hydraulic fixture clamping force on the tensile curve couldn’t be ignored,so the fixture clamping force should be adjusted accordingly.When the curve anomaly was caused by inappropriate fixture clamping force,the curve should be disposed artificially for the correct test result.

metal materials;tensile curve;hydraulic fixture clamping force;scientific treatment

2014-09-29

包凱迪(1972—)，女，高級工程師，研究方向：金屬材料力學性能檢測技術(shù).

1003-1251(2015)02-0052-04

TG115.5

A